離子電池前沿研究成果精選【第6期】

材料人不定期推出離子電池前沿研究成果精選，本文為第6期，包含了發表時間為2018年3月12日—3月25日的優質離子電池文章。

1. ACS Nano：形貌和多孔性可控制備：3D-納米多孔SiGe合金用作高性能鋰離子電池負極

圖1. 3D-納米多孔SiGe合金制備示意圖

山東大學的邊秀房教授和馮金奎副教授（共同通訊）采用去合金化方法和三元AlSiGe帶作為前驅物合成了三維納米多孔SiGe合金作為高性能鋰離子電池負極。SiGe合金的形貌和多孔性可以通過前驅體中Al成分的犧牲來有效控制。當Al成分為80%時，3D-NP SiGe展現出均勻的珊瑚狀結構以及連續的帶狀結構和分級的介孔和微孔結構，在1000 mA g^–1，150個循環過后依舊有1158 mA h g^–1的高可逆電容以及出色的倍率性能?。

文獻鏈接：Morphology- and Porosity-Tunable Synthesis of 3D-Nanoporous SiGe Alloy as High-Performance Lithium-Ion Battery Anode, (ACS Nano, 2018, DOI: 10.1021/acsnano.8b00426)

2. Advanced Energy Materials:層狀GeSe₂熱/電化學力觸發的可修復結構用于高性能鋰離子電池

圖2.?a-GeSe₂和c-GeSe₂的結構表征

近日，來自華中科技大學的李會巧教授（通訊作者）通過采用高能球磨法合成了層狀GeSe₂和它的碳復合材料，發現結晶c‐GeSe₂具有比非晶態c‐GeSe₂更高的可逆容量和更好的倍率性能。更特別地是，鋰化時斷裂的鍺硒鍵在脫鋰后也被觀察到再生。該團隊通過實驗手段和理論計算對這些異常現象進行了研究。與其他典型的MX₂?(M = Mo, W, X = S, Se)相比，鍺的電負性更接近硒，鍺硒鍵的形成能更小。因此，溫和的驅動力如低溫熱加熱可以恢復有序層狀結構，有助于修復晶體GeSe₂的高電導率和無阻礙的Li擴散路徑。同樣，電化學脫鋰力還會在鋰萃取時觸發鍺硒鍵的重建，從而提高大容量(1050 mA h g^?1)、超高ICE ( 94 % )和循環穩定性。

文獻鏈接：Healable Structure Triggered by Thermal/Electrochemical Force ?in Layered GeSe₂ for High Performance Li-Ion Batteries, (Advanced Energy Materials, 2018, DOI: 10.1002/aenm.201703635)

3. Advanced Energy Materials: LiI嵌入固體電解液Li₂S-P₂S₅ 抑制Li枝晶形成

圖3. 電池性能表征

馬里蘭大學王春生副教授（通訊作者）證明可以將LiI引入電解質中來調節Li /電解質界面處的固體電解質界面( SEI )的組成進而有效抑制Li₂S‐P₂S₅玻璃中的Li枝晶形成。這種方法在SEI膜中引入了高離子電導率但絕緣的LiI，更重要的是，提高了Li原子的遷移率，促進了界面處的Li沉積，從而抑制了枝晶生長。結果表明，Li₂S‐P₂S₅玻璃中摻入LiI后，臨界電流密度顯著提高，在100℃時，摻入30 mol % LiI后，臨界電流密度達到3.90 mA cm^?2。在100℃下，在1.50 mA cm^?2下，鋰-鋰電池可穩定循環200小時。

文獻鏈接：Suppressing Li Dendrite Formation in Li₂S-P₂S₅ Solid Electrolyte by LiI Incorporation，(Advanced Energy Materials, 2018, DOI: 10.1002/aenm.201703644)

4. Advanced Energy Materials: 一種電化學驅動非晶化高效存儲GeS₂雜化負極鈉的方法

圖4. GeS₂/rGO復合物表征

韓國KAIST的Do Kyung Kim（通訊作者）首次報道了在還原氧化石墨烯( rGO )上均勻分布的GeS₂納米復合材料作為NIBs負極材料的可行性。結果表明，GeS₂/rGO雜化負極的可逆比容量805 mA h g^?1大于理論容量，在5 A g^?1時具有出色的倍率容量為616 mA h g^?1，100次循環后循環保持率為89.4 %。結合原位表征研究表明，電化學驅動的非晶化通過調節電極材料中過量的鈉離子在實現有效鈉存儲中起關鍵作用。

文獻鏈接：A Robust Approach for Efficient Sodium Storage of GeS2 Hybrid Anode by Electrochemically Driven Amorphization, (Advanced Energy Materials, 2018, DOI: 10.1002/aenm.201703499).

5. Advanced Energy Materials: 用于高體積能量密度鋰硫電池的致密石墨烯材料

圖5. 材料結構表征

美國阿貢國家實驗室的陸俊教授，天津大學的楊全紅教授和陶瑩副教授（共同通訊）聯合團隊提出了一種通過磷酸(H₃PO₄)活化制備具有“墨水瓶狀”介孔的高密度石墨烯塊體材料的新方法。這些孔由于其具有獨特結構而能夠有效地限制多硫化物，500個循環( 75 %容量保持)僅顯示0.05 %容量衰減。密度為1.16 g·cm³，含硫量為54 wt%的雜化正極具有653 mA·h·cm³的高容量。因此，在陰極厚度為100μm的情況下，可實現高達408 W·h·L^-1的器件級體能量密度。

文獻鏈接：Dense Graphene Monolith for High Volumetric Energy Density Li–S Batteries, (Advanced Energy Materials, 2018, DOI:10.1002/aenm.201703438)

6. Advanced Energy Materials: 鈉離子全電池：實現其優異低溫性能和超長循環壽命

圖6. 3DSG納米復合材料用作SIBs負極時的半電池電化學性能

東北師范大學的吳興隆副教授（通訊作者）團隊設計并成功實現了鈉離子全電池（3DSG//NVPOF）的優異低溫性能，并表現出超長循環壽命。在開發的3DSG//NVPOF鈉離子全電池中，正極為該課題組近期報道的高電壓、長壽命的Na₃V₂(PO₄)₂O₂F (NVPOF, Adv. Mater. 2017,29 (33), 1701968) 材料，負極則為新制備的三維自支撐硒/石墨烯（3DSG）納米復合材料。電化學測試結果表明，該3DSG//NVPOF可實現較高的儲能密度（約313 Wh/kg，根據正/負極活性材料的總質量進行計算而得），以及優異低溫、超長循環壽命（15000圈循環后容量保持率為86.3 %）和優異倍率性能。此外，作者還研究了3DSG//NVPOF全電池中3DSG負極的Na⁺脫嵌過程動力學和贗電容貢獻等特性。

文獻鏈接：An Ultralong Lifespan and Low-Temperature Workable Sodium-Ion Full Battery for Stationary Energy Storage, (Advanced Energy Materials, 2018, DOI: 10.1002/aenm.201703252)

7. Advanced Energy Materials: H₂V₃O₈納米線/石墨烯電極用于高倍率大容量的水系鋅離子電池

圖7. H₂V₃O₈?NW/石墨烯復合材料的形貌

美國威斯康星大學麥迪遜分校的王旭東教授和吉林大學的魏英進教授（共同通訊）團隊制備了石墨烯納米片包覆H₂V₃O₈納米線(NWs)復合材料，將其作為正極材料用于二次水系鋅離子電池。得益于H₂V₃O₈ NWs理想的結構特性和石墨烯網絡高導電性的協同效應，H₂V₃O₈ NW/石墨烯復合材料具有優越的鋅離子存儲性能，包括1/3 C下高達394mAh·g^-1的容量，20 C高倍率下270 mAh·g^-1的容量以及優秀的循環穩定性(即循環2000周期后仍保留87%容量)。電池在1/3 C下能量密度可達到168 Wh·kg-1，20 C 下功率密度可達到2215W·kg^-1。作者對材料結構和元素進行了系統的表征，證實了Zn²⁺和水可逆共嵌入的電化學反應機理。

文獻鏈接：H₂V₃O₈ Nanowire/Graphene Electrodes for Aqueous Rechargeable Zinc Ion Batteries with High Rate Capability and Large Capacity, (Advanced Energy Materials, 2018, DOI: 10.1002/aenm.201800144)

8.?Nano Energy: 基于表面控制電化學反應的大容量鎂電池

圖8.?Mn₃O₄-石墨烯基復合材料鎂電池正極

來自挪威科技大學的Fride Vullum-Bruer教授（通訊作者）團隊開發了一種基于可調納米復合材料的高性能Mg電池正極。該正極通過在石墨烯基底上原位生長納米晶Mn₃O₄而被合成，具有高的可逆容量(在15.4?mA?g^?1下約220?mA?h?g^?1，1.54?A?g^?1下約80?mA?h?g^?1)，良好的倍率性能(不同電流速率下的高可逆性)和優異的循環穩定性(700次循環后無容量衰減)。

文獻鏈接：High capacity Mg batteries based on surface-controlled electrochemical reactions, (Nano Energy, 2018, DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.03.061)

9.?Advanced Materials: 采用局部高濃度電解質的高壓鋰金屬電池

圖9.? Li||Cu電池中鋰金屬在不同電解液電鍍/退鍍的庫侖效率

來自美國西北太平洋國家實驗室的張繼光博士（通訊作者）介紹了一種新型的“局部化高濃度電解質HCE，即碳酸二甲酯/2,2,2-三氟乙基醚混合溶劑中(摩爾比1:2)的1.2 M雙氟磺酰亞胺鋰能夠實現鋰金屬負極的無枝晶循環，具有高庫侖效率(99.5 %)和優異的容量保持率(700次循環后大于80 %)。與之前報道的HCEs不同，本研究報道的電解質具有低濃度、低成本、低粘度、改善的導電性和良好的潤濕性，使得LMBs更接近實際應用。該團隊提出的“局部化HCEs”的概念也可應用于其它電池系統、傳感器、超級電容器和其它電化學系統。

文獻鏈接：High‐Voltage Lithium‐Metal Batteries Enabled by Localized High‐Concentration Electrolytes, (Advanced Materials, 2018, DOI: 10.1002/adma.201706102)

本文由材料人編輯部學術組Z,Chen供稿，材料牛整理編輯。

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