近三年上過頂刊封面的鋰電池研究有哪些

Alisa 4年前 (2019-10-01) 6075瀏覽

伴隨著經濟全球化的進程和能源需求的不斷高漲，尋找新的儲能裝置已經成為新能源相關領域的關注熱點。鋰離子電池（LIB）是目前綜合性能最好的電池體系，具有高比能量、高循環壽命、體積小、質量輕、無記憶效應、無污染等特點，并迅速發展成為新一代儲能電源，用于信息技術、電動車和混合動力車、航空航天等領域的動力支持。鋰電池是由正極、負極、電解液、隔膜四大關鍵元件組成。近幾年對鋰電池的研究也是很火熱，2015年的鋰空電池還刊登在了Science上。下面就和大家一起來看看最近三年都有哪些鋰電池研究榮登頂刊封面，也希望為大家以后的研究方向提供一個思路。

一、正極材料

1.?Accounts of Chemical Research（《化學研究述評》）封面：層狀過渡金屬氧化物中Ni/Li的反位現象的起源、控制方法及其對電化學的影響[1]

層狀鋰過度金屬氧化物，特別是Li（NixMnyCoz）O2（NMC，x + y + z = 1），能量密度高、壽命長、成本低、安全性高，因此是最有希望成為正極材料的候選材料。為進一步提高鋰存儲容量，人們開始開發富鎳的層狀鋰過渡金屬氧化物。然而當鎳含量增加到一定值后Ni/Li反位導致結構紊亂會對Li的擴散性、循環穩定性、第一循環效率和整體電極性能產生不利影響。北京大學深圳研究生院新材料學院潘鋒教授的課題組就如何控制Ni/Li反位來提高鋰電池正極材料性能做了大量的機理研究。近期潘峰教授受邀為化學領域著名綜述期刊《化學研究述評》就層狀過渡金屬氧化物中Ni/Li的反位現象的起源、控制方法及其對電化學的影響撰寫了綜述論文，并入選為當期封面文章。

二、負極材料

1.?J. Am. Chem. Soc.封面：羧基化聚噻吩修飾的單壁碳納米管與鋰離子電池負極材料的僑聯結構[2]

具有極性官能團的共軛聚合物能夠有效地將單壁碳納米管（SWNT）修飾到高容量負極材料的表面，并且能夠形成電極網絡。具體地，聚[3-（4-丁酸鉀）噻吩]（PPBT）可以在SWNT網絡和不同負極材料之間搭建橋梁，包括單分散的Fe3O4球和Si納米顆粒。 PPBT的π-共軛骨架和羧酸酯（COO-）取代的烷基側鏈分別吸引SWNTπ-電子表面并與活性材料表面羥基（-OH）物質發生化學相互作用以形成羧酸酯鍵。這種結構能夠有效地捕獲由于在充放電重復循環過程中發生的活性材料體積變化而形成的裂縫/粉碎的顆粒，從而可以抑制電極厚度的變化，形成穩定的SEI層，降低電極電阻，大大改善鋰離子電池的電化學性能。

2.?Angew. Chem. Int. Ed.封面：石墨烯中引入摻氮位點制備親鋰導電骨架[3]

鋰金屬是下一代可充電電池的關鍵負極材料之一，然而鋰枝晶阻礙鋰金屬負極的實際應用。清華大學的張強教授采用氮摻雜的石墨烯作為Li電鍍基體，以調節Li金屬成核并抑制枝晶的生長。含N的官能團，例如N-摻雜石墨烯中的吡啶和吡咯氮，是親鋰性的，其引導金屬Li成核，均勻地分布在負極表面上。研究證明，N摻雜的石墨烯用于Li金屬負極中，在重復的充放電過程中無鋰枝晶生長，并且在接近200個循環后表現出98％的高庫侖效率。

3. Small封面：高性能鈉/鋰離子電池用核殼結構Co9S8/MoS2負極材料[4]

文章中，Qingyu?Yan和Gu?Hongwei等人通過簡便的途徑合成了尺寸均勻的Co9S8/MoS2核殼結構，平均直徑約500nm。兩相之間的協同作用提高了電子輸送速度和Li+/Na+傳輸動力學。將Co9S8/MoS2復合材料做成電池負極材料，鋰/鈉離子電池具有高比容量和良好的倍率性能及循環穩定性。

4.?Adv. Mater.封面：高性能鋰離子電池用雙功能化雙碳殼包覆硅納米顆粒[5]

為了解決硅作鋰離子電池負極材料時在充放電過程中產生的巨大的體積變化和不穩定的SEI界面而引起的嚴重的電極粉碎，中國科學技術大學的Prof. Yan Yu等人提出一種“雙殼”概念，制備了雙碳殼包覆的硅納米顆粒（DCS-Si），起到封裝硅的體積變化和穩定SEI層的雙重作用。內部的碳殼可以提供空隙從而允許內部的Si納米顆粒的體積變化，而靜態外殼可以促進形成穩定的SEI層。最重要的是，如此設計既保留了殼間空間緩沖體積變化又能夠減輕來自碳殼的機械應力。DCS-Si制備的鋰電池在0.2C的電流密度下表現出1802mAh/g的比容量，具有優異的倍率性能和循環性能。

5.?Adv. Energy Mater.封面：高性能鋰離子電池用硅納米層嵌入石墨的混合負極[6]

?硅因其高容量成為最具有希望的鋰離子電池負極，然而其易脆性、高體積膨脹、低導電率、較難的電極壓延工藝以及對過量粘合劑和導電劑的需求阻礙了硅負極的實際應用。因此人們將Si和石墨進行混合作為鋰電池負極使用。韓國的Prof. Minseong Ko和Jaephil Cho等人將Si納米層嵌入石墨/碳材料中，并與商用電極進行對比。石墨/碳與傳統石墨之間具有良好的相容性和結構特征，可有效提高鋰離子電池硅基負極材料性能。

三、電解液

1.?Batteries &?Supercaps封面：鋰電池電解液中的溶劑化作用[7]

電解液溶劑化是影響鋰離子在電解質中的擴散，正負極與電解液SEI的形成以及Li離子在電極表面嵌入和脫嵌的重要因素。清華大學的張強教授團隊下的陳翔博士通過密度泛函理論計算研究了離子-溶劑，離子-離子和溶劑-溶劑之間的相互作用。溶劑化效應可以顯著降低上述三種相互作用。通過將硝酸鋰溶解在不同溶劑中，進一步探索了Li鹽在電解質中的溶解行為并進行了實驗驗證。這項工作提供了對電解液微觀溶劑化作用的理論計算，并突出了電解液溶劑化在調節電池性能中的重要作用，為高性能電池的新型電解液設計提供了思路。

2.?Angew. Chem. Int. Ed.封面：一種高性能復合聚合物鋰離子電池電解液用三維納米結構水凝膠骨架[8]

固態電解質電池由于其安全性和穩定性被認為可以替代鋰離子液體電解液電池。在各種類型的固體電解質中，由于納米填料和聚合物之間的相互作用，復合聚合物電解質表現出Li+傳導性。然而，高濃度納米填料的聚集是提高Li+傳導性的主要障礙。該研究設計了一個三維（3D）納米結構水凝膠誘導的的Li0.35La0.55TiO3（LLTO）框架，用作高性能復合聚合物鋰離子電解液的三維納米填料。系統滲流研究表明，LLTO骨架的預滲透結構在室溫下可將Li+電導率提高到8.8×10-5?S cm-1。

3.?Nature Energy封面：用于安全電池的阻燃有機電解液[9]

嚴重的安全問題阻礙了鋰電池的大規模使用。常規的電解液是高度易燃和易揮發的，易引起災難性的火災或爆炸，所以人們想到將阻燃劑引入電解液中，然而阻燃劑的加入不適當地鈍化碳負極而導致電池性能受損。日本東京大學的Atsuo?Yamada等人設計了一種濃縮鹽電解液，通過在負極上自發形成堅固的無機鈍化膜來解決這一難題。實驗證明使用鹽和常用的阻燃劑（磷酸三甲酯）的濃縮電解鹽，不添加其它添加劑或軟粘合劑，就可以使負極穩定充放電循環次數超過1000次（超過一年），循環性能與傳統的易燃碳酸鹽電解液旗鼓相當甚至比傳統的電解液更好。濃縮電解液的鈍化特性加上其滅火特性有助于開發安全和持久的鋰電池，從而開發出更高能量密度的電池的。

四、SEI膜

1.?Chem. Commun.封面：固態鋰電池中顆粒大小對離子傳輸性能的影響[10]

固態鋰電池由于其安全性受到人們很大青睞，但其電導率一直沒有很好的辦法能夠解決。潘鋒教授的團隊在之前研究工作中發現，離子導體可以提高固態電池界面鋰離子的傳輸性能。將多孔MOF作為主體結構，鋰離子液體作為離子傳輸介質，鋰離子通過離子液體可以浸潤到MOF主體結構中，是不穩定的固態接觸變成納米浸潤界面，從而提高Li+的傳輸性能。在本研究中，作者研究了顆粒大小對MOF-鋰離子液體離子傳輸性能的影響。研發發現，將兩種不同大小顆粒的離子導體組合使用，能夠有效增加電解液與金屬鋰表面的接觸點，改善鋰枝晶的現象。

2.?Angew. Chem. Int. Ed.封面：構建有機/無機雜化SEI膜，實現可充電金屬電池的快速界面傳輸[11]

康奈爾大學的Lynden?A. Archer等人通過簡單的SiCl4交聯化學方法在金屬負極上原位合成混合態的固體電解質界面（SEI）。與其自發形成的SEI相比，這種由Si-互連OOCOR分子交聯LiCl鹽的混合SEI表現出快速的電荷轉移動力學和高達五倍的交換電流密度。在對稱Li / Li和Na / Na電池中Li和Na沉積的電化學分析和直接光學可視化試驗表明，混合SEI在高電流密度（3-5 mA cm-2）下，甚至在不穩定的Na金屬負極上都可以表現出良好的形態控制。研究還發現，SEI的快速界面傳輸性能對Li-S電池中也有很好的應用。此項工作為合理設計多功能、彈性SEI膜提供了可借鑒的方法，并且有望克服在高容量金屬負極上自發形成的相間物的限制。

3.?Angew. Chem. Int. Ed.封面：用于長壽命鋰金屬負極的柔性SEI膜[12]

金屬鋰因其高能量密度而被作為負極材料，但鋰負極在充放電的循環過程中不穩定的SEI膜就會被破壞，導致副反應的發生和Li枝晶的生長。郭玉國團隊設計了一種高彈性的智能鋰聚丙烯酸（LiPAA）SEI膜，通過自適應界面來調控鋰的嵌入和脫嵌過程，并用原位AFM證明了這個過程。LiPAA聚合物具有高粘合性能和優異的穩定性，使得智能SEI膜可顯著減少副反應并大大提高電池安全性。在鋰對稱電池中可實現700小時的穩定循環。自適應SEI的創新設計可以拓展金屬Li負極在電池中的應用。

五、參考文獻

  1. J. X.Zheng, Y. K.?Ye, T. C.?Liu?et al. Ni/Li Disordering in Layered Transition Metal Oxide: Electrochemical Impact, Origin, and Control. Acc. Chem. Res.,?2019,?52, 2201-2209.
  2. Y. H. Kwon, K. Minnici, J. J. Park et al. SWNT Anchored with Carboxylated Polythiophene “Links” on High-Capacity Li-Ion Battery Anode Materials. J. Am. Chem. Soc., 2018, 140, 5666-5669.
  3. R. Zhang, X. Chen, X. Chen, et al. Lithiophilic Sites in Doped Graphene Guide Uniform Lithium Nucleation for Dendrite-Free Lithium Metal Anodes.Angew. Chem. Int. Ed.，2017, 56, 5633.
  4. H. B. Geng, J. Yang, Z. F. Dai, et al. Na/Li-Ion Batteries: Co9S8/MoS2Yolk–Shell Spheres for Advanced Li/Na Storage. Small, 2017, 26, 3349-3358.
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  11. Q. Zhao, Z. Y. Tu, S. Y. Wei et al. Building Organic/Inorganic Hybrid Interphases for Fast Interfacial Transport in Rechargeable Metal Batteries.Angew. Chem. Int. Ed.，2017，57, 992-996.
  12. N. W. Li, Y. Shi, Y. X. Yin et al. A Flexible Solid Electrolyte Interphase Layer for Long-Life Lithium Metal Anodes. Angew. Chem. Int. Ed.，2018, 57, 1505-1509.

本文由April供稿。

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