金屬離子電池前沿研究成果精選【第4期】

電極材料在電池中是重要的組成部分，提升材料的容量、循環壽命對全電池的性能的提升十分關鍵。本篇匯總將帶大家閱覽近期各類二次電池材料的最新研究進展。

1.Adv.Energy.Mater.:自支撐柔性低成本超疏水型N-CNTs@SS鋰空氣電池正極

柔性可穿戴器件的發展使得擁有高能量密度的柔性鋰空氣電池應運而生，然而其高成本、合成方法復雜、機械性能差等阻礙了其進一步的發展。近日，來自北京航空航天大學的張瑜教授（通訊作者）團隊受毛細血管的外形啟發，報道了一種不銹鋼網上生長的氮摻雜CNT(N-CNTs@SS)正極材料，該材料具有低成本、無粘合劑、自支撐柔性、超疏水和分層結構等性質，并且具有高電導性、優異的力學性能和良好的穩定性。將該材料制備成電纜狀應用于鋰空氣電池正極，展現出良好的機械性能、穩定的電化學特性（500mA g^-1電流密度下容量高達9299mAh g^-1，232次循環）以及卓越的抗水能力。該材料在柔性可穿戴電子設備中有廣闊應用前景。

文獻鏈接：Blood-Capillary-Inspired, Free-Standing, Flexible, and Low-Cost Super-Hydrophobic N-CNTs@SS Cathodes for High-Capacity, High-Rate, and Stable Li-Air Batteries(Adv.Energy.Mater.: 10.1002/aenm.201702242)

2.Adv.Energy.Mater.: O₃型層狀氧化物電極中用化學方法提升電池電壓以及抑制相變

O3型層狀過渡金屬氧化物(NaMO₂)由于具有高容量，在鈉離子電池正極材料中研究甚多。然而由于其低氧化還原電壓和多相轉變，O3相的使用十分受限。近日來自法蘭西公學院的Jean-Marie Tarascon教授（通訊作者）團隊報道了一種通過大離子和(d¹⁰)非過渡金屬離子化學取代Mn⁴⁺，以此增加循環過程中氧化還原電壓和減緩O3-P3之間的相變。NaNi_0.5Sn_0.5O₂相的完全取代展現出的氧化還原電勢為3.2V v.s. Na/Na⁺，作為對照單獨的NaNi_0.5Mn-_0.5O₂只有2.8V。并且Sn基相能減緩O3-P3的相變，該相變直至0.5Na從結構中移除才會發生，而Mn基材料則需要0.2Na就可以發生相變。NaNi_0.5Mn_0.1Sn_0.4O₂容量高達91mAh g^-1，能量密度為280Wh g^-1，200次循環后容量保持率為85%。

文獻鏈接：A Chemical Approach to Raise Cell Voltage and Suppress Phase Transition in O3 Sodium Layered Oxide Electrodes(Adv.Energy.Mater.: 10.1002/aenm.201702599)

3.Adv.Funct.Mater.: 酒石酸銻鉀在調節Sb/C復合物長壽命鈉離子電池的雙重作用

銻由于其高比容量在鈉離子電池負極中有廣闊應用前景，然而在循環過程中的體積膨脹極大地影響了其循環穩定性。來自中南大學的紀效波教授（通訊作者）團隊利用金屬配合物C₈H₁₀O₁₅Sb₂K₂作為碳源和銻源，通過水熱還原法在氬氣中還原了Sb/C棒和Sb-O-C/C。經過理論計算實驗結果分析，材料的形成過程為：C₈H₁₀O₁₅Sb_2K2 → Sb₂O₃/C → Sb₂O₃/Sb/C → Sb/C，而且隨著Sb³⁺還原成金屬Sb，C₈H₁₀O₁₅Sb₂K₂中的有機配位基可以逐漸轉變成無定形碳。500mA g^-1電流密度下700次循環仍有89%的容量保持率（404mAh g^-1）。

文獻鏈接：Dual Functions of Potassium Antimony(III)-Tartrate in Tuning Antimony/Carbon Composites for Long-Life Na-Ion Batteries(Adv.Funct.Mater.: 10.1002/adfm.201705744)

4.Adv.Funct.Mater.:真空煅燒將Se/C線狀材料轉換成管狀材料用于高性能鈉硒電池

真空煅燒方法常用于制備Se/C復合物，因為該法不需要充分混合和長時間加熱。近日來自香港城市大學的Denis Y. W. Yu博士和Andrey L. Rogach教授（共同通訊作者）團隊報道了一種通過簡單方法濕化學合成Se/C線復合物用于高性能鈉硒電池。隨著Se進入碳骨架，只需進行機械混合而無需長時間加熱。當材料在真空中加熱到500℃還原富氧碳層時，碳殼中的Se融化滲入或者流入線內，將Se/C線(SeCW)轉換成Se/C管(SeCT)。SeCT可用于鈉硒電池正極，在0.2C電流密度下可逆容量高達601mAh g^-1。電流密度從2C增加至20C時，容量從509mAh g^-1變成304mAh g^-1。而且20C循環1000次后容量只是減少7%。

文獻鏈接：Vacuum Calcination Induced Conversion of Selenium/Carbon Wires to Tubes for High-Performance Sodium–Selenium Batteries(Adv.Funct.Mater.: 10.1002/adfm.201706609)

5.Adv.Energy.Mater.:導電聚合物粘結劑增強離子導電性用于高性能鋰離子電池硅負極

硅作為鋰離子電池負極有超高理論比容量，但是在循環過程中過大的體積膨脹嚴重影響了其循環性能，于是通常會在負極材料中添加導電聚合物，即作為粘結劑又作為導電添加劑，以此改善其電化學性能。近日，來自華中科技大學的周印華教授、霍開富教授和香港城市大學的Paul K. Chu教授（共同通訊作者）團隊報道了一種擁有高離子導電率和電子導電率的新型聚合物粘結劑，該導電劑通過化學交聯、化學還原和靜電自組裝法將離子導電的聚環氧乙烷(PEO)、聚乙烯亞胺(PEI)組裝在電子導電的PEDOT:PSS分子鏈上。聚合物粘結劑擁有卓越的鋰離子和電子傳輸性質，其離子和電子導電性比常用的CMC/乙炔黑體系高14和90倍。PEDOT:PSS和離子聚合物之間的交聯和靜電作用保持了硅負極在循環過程中的體積結構的穩定性，增強了倍率性能、循環穩定性、可逆容量和首次庫倫效率。

文獻鏈接：Enhanced Ion Conductivity in Conducting Polymer Binder for High-Performance Silicon Anodes in Advanced Lithium-Ion Batteries (Adv.Energy.Mater.:10.1002/aenm.201702314)

6.Adv.Energy.Mater.:抑制鋰枝晶和固定錳離子的生物基水凝膠聚合物電解質

金屬鋰電池負極中的鋰枝晶問題、錳離子在LiMn₂O₄正極中的溶解和遷移問題阻礙了金屬鋰電池的發展。近日，來自北京化工大學的隋剛教授和楊小平教授（共同通訊作者）團隊報道了一種方法，用一層PDSs夾在兩層多孔SPI/PVA納米纖維薄膜之間而無需粘結劑，構建了雙功能生物基復合物水凝膠聚合物電解質(c-GPE)。在用液體電解質成膠之后，微球固定在c-GPE結構當中。其離子導電率高達2.2x10^-3S cm^-1，200次循環后容量保持率仍有71.3%。在LMO/Li電池當中能解決鋰枝晶的生長和錳離子的溶解和遷移，在1mA cm^-2電流密度下循環超過500h。

文獻鏈接：A Biobased Composite Gel Polymer Electrolyte with Functions of Lithium Dendrites Suppressing and Manganese Ions Trapping(Adv.Energy.Mater.:10.1002/aenm.201702561)

7.Adv.Energy.Mater.:低成本鈉硫液流電池

鋰離子電池、液流電池和高溫鈉硫電池是電網電池技術最有前景的三種電池。近日，來自弗吉尼亞理工大學的Zheng Li教授（通訊作者）團隊報道了一種新型半固態鈉硫液流電池，在1M硫標稱濃度下放電曲線有2.2V和1.8V兩個峰，分別對應了S元素的消耗和Na₂S₂沉淀的產生。在低放電電流下比容量為864mAh g^-1，比現有的鈉硫電池更高。新型的鈉硫液流電池通過在不同溫度下的儲存室（常溫）和能源裝置（100-150℃）操作，結合了能量和功率的熱管理。有以下幾個有點：電極制備和器件整合簡單，能量損耗小，金屬負極的體積變化小，并能有效利用硫。該電池成本為$50-100kWh^-1，適用于電網儲能。

文獻鏈接：Sodium–Sulfur Flow Battery for Low-Cost Electrical Storage(Adv.Energy.Mater.: 10.1002/aenm.201701991)

8.新型疏水粘結劑固定多硫化物用于高性能鋰硫電池

傳統的鋰硫電池中的粘結劑有許多弊端，例如吸收親水性多硫化物的能力差，從而導致容量衰減。近日，來自蘇州大學的晏成林教授和電子科技大學的熊杰教授（共同通訊作者）團隊報道了一種新型富含Li-N、Li-O、S-O鍵的PPA粘結劑，與傳統PVDF粘結劑相比提高了循環容量保持率和倍率特性，1.5C電流密度下循環400次仍有72%的容量保持率。而且，原位顯微拉曼光譜結果表明該極化功能粘結劑能有效抑制還原的多硫化物從正極穿梭至負極。XPS結果表明親水粘結劑使得硫與Li-O、Li-N、S-O之間的反應更充分，有效減緩了多硫化物的溶解。

文獻鏈接：A New Hydrophilic Binder Enabling Strongly Anchoring Polysulfides for High-Performance Sulfur Electrodes in Lithium-Sulfur Battery(Adv.Energy.Mater.: 10.1002/aenm.201702889)

9.Adv.Energy.Mater.:垂直排列金屬型MoS₂生長在離子傳輸納米管用于高性能鋰離子電池

與2H半導體相MoS₂相比，金屬相MoS₂擁有高幾個數量級的導電性。近日，來自美國東北大學的Hongli Zhu教授（通訊作者）團隊通過簡單大規模的水熱法構造了一種新型多孔納米管，其表面生長垂直排列的金屬型MoS₂納米片，用于鋰離子電池負極，擁有良好環境友好性，低成本的優勢。使用該方法制備的MoS-₂納米片能有效避免團聚，因此促進電解質的傳輸、縮短鋰離子擴散路徑以及優化原位插層聚合反應。5A g^-1電流密度下循環350次仍有1100mAh g^-1的可逆容量，20A g^-1電流密度下容量仍有589mAh g^-1。

文獻鏈接：Ion Transport Nanotube Assembled with Vertically Aligned Metallic MoS2 for High Rate Lithium-Ion Batteries(Adv.Energy.Mater.: 10.1002/aenm.201702779)

本文由材料人新能源組Jespen供稿，材料牛整理編輯。

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