通過42篇NS系列論文回望2019年電池領域的重大進展

2019年，電池領域在Nature, Science主刊和Nature三大子刊（包括Nature Materials, Nature Nanotechnology, Nature Energy）一共發表了42篇文章（文章類型：article）,我們對著42篇文章進行了統計和總結，以期對2019年電池領域的重大進展有更為深刻的認識。

通過分析發現對鋰金屬負極、高能量密度的富鋰正極和其他正極及固態電解質的研究仍然是當前的研究熱點，表明研究者們致力于不斷提高鋰電池的能量密度和安全性。其中對鋰金屬負極的研究更偏向于對SEI形成機制的檢測和理解及其在現實電池條件下的電化學性能提高；對富鋰正極材料的研究主要聚焦于對其在循環過程中的結構穩定性、電壓滯后、電壓衰減等問題的機制解析和改進方法上；對固態電解質的研究主要在于鋰枝晶生長機理探究、滿足于商業化應用的加工技術探索等方面。另外對于水系電池和其他新興電池體系的研究也是一大熱點，這些電池體系往往在某些方面，如高倍率性能、低成本、超長循環壽命、高安全性等具有突出優勢，因此可以滿足一些特定的儲能應用場景。

文章列表：

1.Recycling lithium-ion batteries from electric vehicles

Nature, DOI：10.1038/s41586-019-1682-5

想要實現減少溫室氣體排放的全球目標、提高城市中心的空氣質量、并且滿足消費者對電動汽車越來越青睞的需求，電動汽車市場的增長勢在必行。但是，越來越多的電動汽車對報廢者來說，在廢物管理方面提出了嚴峻的挑戰。 然而，廢電池也可能帶來機會，因為制造商需要獲得用于電動汽車制造關鍵部件的核心元素和關鍵材料，電動汽車回收的鋰離子電池可以提供寶貴的二次材料來源。 作者概述并評估了電動鋰離子電池回收和再利用方法的主流方法，并重點介紹了未來的發展領域。

2.Quantifying inactive lithium in lithium metal batteries

Nature, DOI：10.1038/s41586-019-1481-z

鋰金屬負極具有很高的理論比容量（3860 mAh/g），但是鋰金屬電池往往會出現枝晶生長和低庫侖效率等問題，阻礙了鋰金屬負極的商業化應用。“死鋰”（包括固態電解質界面中的鋰化物和失去電接觸的單質鋰）的形成造成電池容量損失和安全隱患。由于缺乏有效的工具，無法給出固態電解質界面中鋰的成分和失去活性的鋰單質成分的定量關系。光學顯微鏡、原位透射電子顯微鏡、X射線成像技術和磁共振成像技術提供的信息主要是形態學方面的信息，而幾乎沒有化學信息。核磁共振、X射線光電子能譜和冷凍透射電子顯微鏡可以區分固態電解質界面層中的鋰離子和失活的單質鋰，但他們的檢測范圍僅限于表面或局部區域。這里，作者采用了滴定氣相色譜分析法，以定量失活的單質鋰對“死鋰”的貢獻。我們確定失活的單質鋰是“死鋰”的主要成分和導致能量損失的主要來源，通過采用低溫電子顯微鏡（包括掃描和透射）對失活單質鋰納米結構和微觀結構的觀察，作者建立了在不同電解液環境下“死鋰”的形成機制，并且確定了沉積/脫出鋰過程中的低庫侖效率的根本原因。同時作者提出了提高鋰金屬負極沉積/脫出鋰過程中的庫侖效率的策略，為鋰金屬負極應用于下一代高能量密度電池提供了可能。

3.Aqueous Li-ion battery enabled by halogen conversion-intercalation chemistry?in graphite

Nature, DOI：10.1038/s41586-019-1175-6

“water-in salt”電解液的使用已經成功的將水系鋰離子電池的電化學窗口擴展到了3~4 V的水平，使其匹配低電壓的石墨負極和高電壓的正極成為可能。然而傳統過渡金屬氧化物有限的插層容量（低于 200 mAh/g）限制了更高能量密度的實現。部分或者全部的陰離子發生氧化還原反應可能提供更高的容量，但是犧牲一部分可逆性。這里，作者報道了一種在石墨中的鹵素轉化-插層化學，石墨作為一種容量為243 mAh/g，電壓為4.2 V的復合電極。實驗表征和建模將這種高比容量歸因于一種緊密填充的石墨插層化合物，C_3.5[Br_0.5Cl_0.5],其可以在”water-in-bisalt”電解液中產生可逆性，通過將這種正極與鈍化的石墨負極組裝全電池，作者制造出了具有460 mAh/g高比容量的4 V級的水系鋰離子全電池。這種陰離子轉化-插層機制將轉化機制的高能量密度、插層機制的高可逆性和水系電池的高安全性的特點結合到了一起。

4.How lithium dendrites form in liquid batteries

Science, DOI：10.1126/science.aay8672

傳統的可充電鋰離子電池通常使用石墨作為負極，鋰離子儲存在石墨片層中。目前鋰金屬作為負極正在被重新考慮，這些下一代的電池技術可能使傳統鋰離子電池的能量密度翻倍。可充電的鋰金屬電池在超過40年前商業化，但是由于其安全性問題僅被短暫應用。隨著近年來電解質、電極制備技術和表征技術的發展，人們對充放電過程中決定電池性能的界面反應有了更好的基礎理解，這使得人們對鋰金屬在可充電電池中的使用進行重新評估。

5.Energy storage: The future enabled by nanomaterials

Science, DOI：10.1126/science.aan8285

鋰離子電池為便攜式電子產品、電動汽車、固定儲能提供能量，已獲得2019年諾貝爾化學獎，納米材料及其在電極制備和設備上的應用可以推動現有儲能系統的發展。我們對近年來納米材料在超級電容器、電池等電化學儲能系統中的應用進展做了展望。納米材料的多功能性使得其可以為便攜的、柔性的、可折疊的分布式電子設備，電動交通設備，電網儲能設備供能，以及在生活環境和生物醫學系統中集成。為了克服納米材料因高表面積而引起的高反應性和化學不穩定性的局限性，應將具有不同功能的納米顆粒組合在納米和微米尺度的智能體系結構中。將納米材料集成到功能架構和設備中需要開發先進的制造方法。作者討論成功的策略并概述開發納米材料的技術路線，以支持未來的能量存儲應用，例如為分布式傳感器網絡以及柔性和可穿戴電子設備供電。

6.Reversible epitaxial electrodeposition of metals in battery anodes

Science, DOI：10.1126/science.aax6873

金屬在固-液界面容易形成不規則和非平面電沉積的傾向已經成為金屬負極用于高能量密度可充電電池的基本障礙。作者提出了一種外延生長機制，調節金屬負極的成核、生長和可逆性。作者定義了金屬可逆外延沉積的金屬晶體學、表面織構和電化學標準，并通過使用鋅負極（一種安全、低成本且高能量密度的電池負極材料）證明了其有效性。石墨烯表現出對鋅具有低晶格錯配性，可以有效誘導鋅在特定晶體取向沉積。制備得到的外延鋅負極在中高倍率下在數千次循環中表現出了優異的可逆性。金屬負極的可逆電化學外延為實現具有高可逆性的高能量密度電池提供了一種通用途徑。

7.All-temperature batteries enabled by fluorinated electrolytes with non-polar solvents

Nature Energy, DOI：10.1038/s41560-019-0474-3

碳酸酯類電解液被廣泛應用于非水系的的鋰離子電池中。然而，溶劑與離子之間的強附著鋰和碳酸酯類電解液的高可燃性限制了電池運行的溫度范圍（-20℃-50℃）和電壓窗口（0 V-4.3 V）。作者通過將氟化的電解質溶解于高度氟化的非極性溶劑來改善溶劑與離子之間的作用力。該電解液除了具有不易燃的特性，而且具有寬電化學窗口（0 V-5.6 V）和在寬溫度范圍（-125℃-+70℃）下都具有高離子電導率。作者展示了在-95℃-+70℃范圍內，這種電解液可以使得LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂正極實現>99.9%的庫侖效率，另外高活性的的鋰金屬負極和高電壓（5.4 V）的LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂正極都分別實現了>99.4%和>99.%的庫侖效率。甚至在-85℃的低溫條件下，LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂||Li電池可以發揮出約50%的室溫容量。

8.Monolithic solid–electrolyte interphases formed in fluorinated orthoformate-based electrolytes minimize Li depletion and pulverization

Nature Energy, DOI：10.1038/s41560-019-0464-5

鋰金屬負極在循環過程中的粉化和由此帶來的巨大的體積膨脹是鋰金屬電池安全運行的主要障礙之一。這里，作者報道了一種通過使用一種基于原甲酸酯溶劑的電解液來最小化鋰金屬粉化的方法。在這種電解液中形成的固態電解質中間層（SEI）清晰的表現出了整體性特點，與廣泛報道的不均勻的馬賽克型的或者多層型的的SEI形成鮮明的對比，這些SEI往往會導致不均勻的鋰沉積或脫出以及在循環過程中鋰和電解質的快速消耗。具有高度均勻性和無定形的SEI不僅抑制鋰枝晶的生長，而且可以使鋰損失和體積膨脹最小化。另外，這種新型電解質有效的抑制LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂正極的相轉變（從層狀結構轉化為巖鹽相）以及穩定其結構。高電壓的Li||NMC811電池表現出了長循環穩定性、高倍率性能和高安全性。

9.High-energy lithium metal pouch cells with limited anode swelling and long stable cycles

Nature Energy, DOI：10.1038/s41560-019-0390-6

鋰金屬負極作為實現高能量密度電池的候選者引起了大家的廣泛關注，但是關于其長循環行為的報道很少，而且實用情況下的高能量密度電池的衰減機理尚不清楚。作者使用鋰金屬負極、LiNi_0.6Mn_0.2Co_0.2O₂正極和常規電解液組裝了300 Wh·kg^-1(1.0 Ah)的模型軟包電池。在均勻的小外部壓力下，模型電池運行200圈后具有86%的容量保持率和83%的能量保持率。在最初的50圈內，平坦的鋰箔轉化為大的鋰顆粒，包裹在SEI中，這導致了鋰金屬負極的快速體積膨脹（膨脹電池厚度的48%）。隨著循環的繼續，外部壓力使得鋰顆粒保持良好的接觸，這確保了電子和離子的滲透路徑，進一步保證電化學反應的繼續發生。相應地，固態的鋰顆粒進一步發展為多孔結構，這表現為持續減少的電池膨脹（在接下來的150圈中膨脹了19%）。

10.Improving cyclability of Li metal batteries at elevated temperatures and its origin revealed by cryo-electron microscopy

Nature Energy, DOI：10.1038/s41560-019-0413-3

鋰離子電池的運行被限制在室溫附近的比較窄的溫度范圍內。在較高的溫度下，電池的循環性能因副反應的加速而加速衰減，尤其在鋰金屬用作負極的情況下。這里，作者我們報道了鋰金屬電池在高溫下的循環穩定性，在60℃的溫度下，使用醚類電解液電池可循環超過300圈，平均庫侖效率保持在99.3%，但是在20℃下庫侖效率在70圈內降低的十分迅速，平均庫侖效率為90.2%。冷凍電子顯微鏡揭示了在60℃下的固態電解質中間層的納米結構十分不同，可以在60℃下可以保持機械穩定性，抑制了連續的副反應和保證良好的循環穩定性和低電化學阻抗。另外在高溫下生長的大的鋰顆粒降低了電解液/電解質接觸面積，這降低了循環過程中的鋰損失和確保高庫侖效率。

11.Long cycle life and dendrite-free lithium morphology in anode-free lithium pouch cells enabled by a dual-salt liquid electrolyte

Nature Energy, DOI：10.1038/s41560-019.0428-9

鋰金屬電池被視為最有前景的未來技術，比現存的鋰離子電池具有更高的能量密度。許多研究者認為對于鋰金屬電池來說，傳統鋰離子電池中使用的電解液一定會被固態電解質代替，用以保持無枝晶的平坦的鋰金屬形貌，這對保持長時間的穩定循環是必要的。這里作者報道了使用了一種雙鹽（LiDFOB/LiBF₄）無負極鋰金屬軟包電池，該電池保持90圈的充放電循環只有仍然有80%的容量保持率。即使在循環了50圈之后，這種液態電解液能確保生成由密集排列的柱狀無鋰枝晶鋰金屬形貌。核磁共振揭示電解質鹽在循環過程中被消耗的很慢。

12.Gradient Li-rich oxide cathode particles immunized against oxygen release by a molten salt treatment

Nature Energy, DOI：10.1038/s41560-019-0508-x

富鋰過渡金屬氧化物（Li_1+xM_1-xO₂）正極由于其混合陽離子和陰離子氧化還原反應（HACR）的貢獻而具有高達900 Wh·kg^-1的能量密度，但是循環過程中的氧釋放和電壓降低等關鍵問題阻礙了它近年來的應用。這里作者報道了在700℃下熔融鉬酸鹽輔助萃取的LiO產生了晶格相干，但是依賴于晶格深度的Li_1+x(r)M1_-x(r)O₂顆粒，其顆粒內部為富鋰相（X?≈0.2），顆粒表面為貧鋰相并且兩者之間具有連續的梯度。梯度富鋰單晶消除了氧氣釋放到電解質中的現象，重要的是，仍然允許其中存在穩定的氧氧化還原貢獻。 在循環期間，金屬價態和晶體結構都保持的很好。 梯度HACR正極在0.2C下200次循環后的能量密度為843 Wh kg^-1，在1C下循環100次后能量密度為808 Wh kg^-1，氧氣釋放和電解質消耗很少。 這種高溫免疫處理可以用來萃取其他元素，以避免電池中的表面副反應。

13.Deep eutectic solvents for cathode recycling of Li-ion batteries

Nature Energy, DOI：10.1038/s41560-019-0368-4

隨著運輸和消費電子領域鋰離子電池（LIB）的消費持續增長，沒有鉛酸電池那樣成功的回收模式的鋰離子電池廢物堆也將不斷增加。在這里，作者展示了一種使用深共熔溶劑回收LIB的方法，可從各種化學物質中提取有價值的金屬，包括鈷酸鋰和三元正極材料。 從鈷酸鋰中提取金屬時，鈷和鋰的浸出效率均≥90％。 還發現可以單獨回收其他電池組件，例如鋁箔和聚偏二氟乙烯粘合劑。 深共熔溶劑可以為傳統的LIB回收和重要的戰略金屬回收提供綠色替代方法，而這對于滿足LIB指數增長的需求至關重要。

14.Advances and issues in developing salt-concentrated battery electrolytes

Nature Energy, DOI：10.1038/s41560-019-0336-z

隨著全球范圍內有效利用可再生能源和電動汽車市場迅速發展，可充電電池技術（尤其是鋰離子電池）的重要性不斷提高。在過去的幾年中，通過簡單地增加兼容性好的的鹽-溶劑組合中的鹽濃度，就在電解質材料上取得了重大突破，與其他材料相比，它具有多方面的技術優勢。這種人們渴望已久的極其簡單而有效的策略可以克服大多數限制當前鋰離子電池的障礙，而又不犧牲電池生產效率，因此，它的影響在科學界得到了廣泛的認可，具有巨大的工業發展潛力。這篇綜述旨在提供及時和客觀的信息，這些信息對于設計更好的商業電池非常有用，包括對其優缺點的多角度分析以及未來的展望。文章的重點放在解決剩余的技術和科學問題的途徑上，而不是重新強調許多技術優勢。

15.Building aqueous K-ion batteries for energy storage

Nature Energy, DOI：10.1038/s41560-019-0388-0

由于其固有的安全性和低成本，水性鉀離子電池（AKIB）有望成為電網規模儲能的候選產品。然而，由于合適的電極和電解質的可用性有限，尚未報道水系鉀離子全電池。這里，作者提出了一個由富鐵取代的富錳普魯士藍K_xFe_yMn_1-y[Fe(CN)₆]_w·zH₂O正極、有機3,4,9,10-四羧酸二酰亞胺負極和22 M KCF₃SO₃”water in salt”型電解質組成的AKIB體系。由于Fe取代減少了相變，正極在100 C倍率下循環10000次還具有70%的容量保持率。同時，由于缺乏游離水，電解質可以幫助減少兩個電極的溶解。 AKIB具有80 Wh kg-1的高能量密度并可以在0.1–20 C的倍率下和-20°至60°C的寬溫度范圍內運行良好。這篇文章為AKIB體系在規模儲能方面的實用化進程做了重要探索。

16.High areal capacity battery electrodes enabled by segregated nanotube networks

Nature Energy, DOI：10.1038/s41560-019-0398-y

鋰離子電池的能量存儲能力的提高需要使其面容量最大化。這需要厚電極以接近理論比容量運行。然而，電極的厚度被機械不穩定性所限制，而厚電極的性能則受到電極電導率的限制。作者將碳納米管與多種儲鋰材料（硅、石墨、金屬氧化物等）復合形成隔離網絡復合材料，通過使復合材料增加韌性來提高機械穩定性，從而制備出厚度高達800μm的高性能電極。這種復合電極表現出了高達1 × 10^-4S m^?1的離子電導率和低電荷轉移電阻，使得電荷快速傳遞并且比容量接近理論比容量。這種高厚度和高比容量的結合使得正極和負極的面容量分別達到30 mAh?cm^-2和45 mAh?cm^-2。將優化的正極和負極結合使用，可獲得目前較高面容量（29 mAh?cm^-2）和質量能量密度(480?Wh kg^-1)及體積能量密度(1600 Wh kg^-1)的全電池。

17.Rechargeable aluminium organic batteries

Nature Energy, DOI：10.1038/s41560-018-0291-0

由于鋁元素是地殼中存在最廣泛的元素之一，發展可充電鋁電池為開發高能量價格比的可充電電池提供了理想機會。然而，尋找合適的支撐材料來儲存鋁離子是一個基本的挑戰。這里作者提出了一些設計可充電鋁離子電池活性材料的策略。這種策略利用了三角形的菲醌基大環分子，這種物質具有分層超結構，允許鋁離子絡合物可逆的插入脫出。這種結構表現出了出色的電化學性能，5000次長循環保持比容量為100 mAh g^-1。將這種材料與片狀石墨混合得到的復合電極具有更高的比容量、電子電導率和面載量。這些發現構成了可充電鋁電池設計的重大進步，并為解決高載量的大規模儲能提供了良好的起點。

18.Exploring the bottlenecks of anionic redox in Li-rich layered sulfides

Nature Energy, DOI：10.1038/s41560-019-0493-0

陰離子氧化還原化學被認為是一種設計更好能量密度的鋰離子電池正極材料（如富鋰層狀氧化物）的新范例。然而，他們面臨著電壓衰減、高阻抗、動力學緩慢等問題，這些問題都是由陰離子的氧化還原活性導致的。為了更基礎的了解這些問題，作者通過設計一種新型的富鋰層狀硫化物Li_1.33-2y/3Ti_0.67-y/3Fe_yS₂來展現配體的作用。當y=0.3時，由于陽離子的累積（Fe^2+/3+）和陰離子(S^2-/S^n-, n<2)的氧化還原過程而表現出245 mAh g^-1的比容量。然而，與富鋰層狀氧化物相比，其初次循環的不可逆容量、長循環過程中的電壓衰減、低電壓之后和快速的動力學都是相對較好的。通過將氧配位轉化為硫配位在一定程度上減少了影響陰離子氧化還原的應用瓶頸，盡管這使得氧化還原電位和能量密度有所降低。總體而言，這些硫化物為改善陰離子氧化還原電極的整體性能提供了化學線索，這可能會指導我們最終利用氧氧化還原的能量優勢。

19.Manganese oxidation as the origin of the anomalous capacity of Mn-containing Li-excess cathode materials

Nature Energy, DOI：10.1038/s41560-019-0439-6

富鋰錳氧材料被認為是下一代鋰離子電池的候選正極材料，因為其可以比傳統的正極材料可逆地嵌入脫出更多的鋰。盡管已經提出晶格氧的可逆氧化是這種異常過剩容量的起因，但??有關潛在的電化學反應機理的問題仍未解決。在這里，作者重點分析了O^2-/ O^-氧化還原假說并探索替代方法解釋異常容量的原因，包括過氧化物離子的形成或捕獲的氧分子以及Mn的氧化。Li-Mn-O相圖激發的第一性原理計算表明，富鋰錳氧材料的電化學行為與Mn從+4氧化態轉變為+7氧化態以及隨之發生的Mn從八面體位置到四面體位置的遷移具有熱力學一致性。結果表明，Mn氧化假說可以解釋人們對富鋰材料電化學行為，包括激活過程，電壓滯后和電壓衰減。

20.Pathways for practical high-energy long-cycling lithium metal batteries

Nature Energy, DOI：10.1038/s41560-019-0338-x

目前鋰離子電池正在接近其能量極限，受到當今能量存儲和電力應用（尤其是電動汽車）不斷增長的需求的挑戰。當與高能量密度的正極材料組合使用時，鋰金屬被認為是下一代高能量密度可充電電池的終極負極。然而，大多流行的研究都集中在電池材料的層面，而很少提及電池設計原則。這里作者討論了對于使用高鎳三元正極的鋰金屬可充電電池來說實現350 Wh?kg^-1~500 Wh?kg^-1能量密度的關鍵條件。同時作者對如正極負載量、電解液使用量和鋰金屬厚度等影響電池長循環性能的關鍵因素做出了分析。作者進一步介紹了一些降低鋰-電解液副反應、保護鋰負極表面和穩定鋰負極結構而保證長循環高能量密度電池的重要策略。

21.Data-driven prediction of battery cycle life before capacity degradation

Nature Energy, DOI：10.1038/s41560-019-0356-8

準確預測復雜的非線性系統（例如鋰離子電池的壽命）對于加快技術發展至關重要。但是，各種老化機制，重大的設備可變性和動態工作條件仍然是主要挑戰。我們生成了由124個在快速充電條件下循環的商業磷酸鐵鋰/石墨電池組成的綜合數據集，循環壽命從150到2300個循環，差異很大。使用早期循環的放電電壓曲線但仍未顯示出容量下降的情況，我們應用了機器學習工具來根據循環壽命對電池進行預測和分類。我們的最佳模型使用前100個循環（從初始容量得出的中位數增長為0.2％）定量預測循環壽命時可達到9.1％的測試誤差，而使用前5個循環將循環壽命分為兩組則可達到4.9％的測試誤差。這項工作展示出了將有意數據生成與數據驅動的建模相結合以預測復雜動態系統的行為的希望。

22.Solid-state polymer electrolytes with in-built fast interfacial transport for secondary lithium batteries

Nature Energy, DOI：10.1038/s41560-019-0349-7

具有高室溫離子電導率和快速界面電荷傳輸能力的固態電解質是實現固態電池實用化的關鍵要求。作者報道了一種含鋁陽離子在電池內部引發醚分子原位開環聚合反應而制備固態聚合物電池，這種策略可以保證各個電池部件保形的界面接觸。這種固態電解質具有高室溫離子電導率（>1 mS cm^-1）、低界面阻抗、均勻的鋰沉積和高庫侖效率（300次循環后大于98%）。這種電解質在Li-S、Li-LiFePO₄、和Li-LiNi_0.6Mn_0.2Co_0.2O₂電池中的應用進一步表明這種原位固態聚合物電解質的設計可以實現高庫侖效率（>98%）和長循環壽命（>700圈）。這個研究為制備同時具有體相和界面傳輸要求的固態電解質提供了一個方向。

23.Characterization and performance evaluation of lithium-ion battery separators

Nature Energy, DOI：10.1038/s41560-018-0295-9

目前鋰離子電池普遍使用液態電解液和聚烯烴隔膜。盡管隔膜在電池中不是必要的活性成分，隔膜在離子傳輸方面起著重要作用并影響電池的倍率性能、電池壽命和安全性。隨著我們對隔膜性能和隔膜與電解質之間的相互作用的理解加深，明顯目前存在改進隔膜性能的機遇以滿足對LIB技術的新應用提出更高的要求。這里，作者回顧了隔膜的結構和化學成分對鋰離子電池的電化學性能。評估了揭示隔膜結構與性能之間關系的表征技術，并且對下一代的隔膜技術進行了展望。該綜述的觀點表明，通過考慮隔膜與其周圍環境的相互作用可以提高鋰離子電池的電化學性能，并指出，隔膜將被設計在鋰離子電池中發揮更為積極的作用。當前和新興的表征技術將在指導隔膜技術的發展中發揮重要作用。

24.Combined economic and technological evaluation of battery energy storage for grid applications

Nature Energy, DOI：10.1038/s41560-018-0290-1

電池將在現代化的能源網絡中發揮關鍵作用，因為它們將允許可再生能源更多的被利用，并使得能源分配更符合供需關系。應用儲能技術是一項商業決策，需要準確估算潛在收入以確定經濟可行性，這需要考慮市場規則和價格以及電池和特定應用場景的模型。在這里，作者使用連接到加利福尼亞州能源網的存儲模型，并說明不同應用場景的應用程序控制的占空比（功率曲線）如何影響不同的電池化學性質。作者揭示了電池化學特性與電池中能量含量的適用性之間的關鍵權衡，并表明只有考慮每種應用中的實際電池運行情況，才能實現準確的收益計量。這項工作中的發現可能要求在如何評估儲能設備的真實經濟價值方面發生范式轉變。

25.Probing the thermal effects of voltage hysteresis in anionic redox-based lithium-rich cathodes using isothermal calorimetry

Nature Energy, DOI：10.1038/s41560-019-0410-6

使用將陽離子/陰離子氧化還原過程相結合的富鋰正極材料的高能量密度電池的商業化正在等待某些實際的瓶頸。從基本的熱力學觀點來看，大電壓滯后仍然是最模糊的。這里作者通過等溫量熱法直接測量Li / Li₂Ru_0.75Sn_0.25O₃（Li / LRSO）電池在各種循環條件下產生的熱量來研究此問題，其中LRSO作為“模型”富鋰的層狀正極。作者展示了這種熱量在熱力學上與損耗的電能有何關系，而損耗的電能對實際應用至關重要。作者進一步揭示出，在充電和放電時，陰離子氧化還原過程具有不相等焓勢的不同亞穩路徑，因此，與完全路徑可逆的陽離子氧化還原不同，總的Li含量不再保持唯一的反應坐標。這個研究闡明了準靜態電壓滯后與非平衡熵產生的熱量耗散之間的關系。總的來說，這項研究確立了等溫量熱法在下一代電池中使用節能電極材料的巨大優勢。

26.A low ride on processing temperature for fast lithium conduction in garnet solid-state battery films

Nature Energy, DOI：10.1038/s41560-019-0384-4

大規模生產固態電池的一個重要參數是采取一種加工策略能夠在盡可能低的溫度下組裝電池材料，并同時保持盡可能高的鋰離子電導率。盡管進行了大量的探索，在低溫下制備具有高鋰離子濃度和鋰離子電導率的陶瓷薄膜仍然是一個不小的挑戰。作者報道了了一種替代的陶瓷加工策略，它通過多層演化而直接在鋰石榴石薄膜中建立鋰儲鋰層，從而允許在很低的加工溫度下進行鋰化和快速導電的立方相固態電解質。通過多層加工方法加工的鋰石榴石薄膜在加工溫度降低了400℃的情況下，表現出最快的離子電導率為2.9±0.05×10^-5S cm^-1（室溫下）和所需的立方相結構，這種方法通過設計使未來的固態電池體系結構中具有更大的正極空間，并降低了加工處理溫。

27.Intercalation-conversion hybrid cathodes enabling Li-S full-cell architectures with jointly superior gravimetric and volumetric energy densities

Nature Energy, DOI：10.1038/s41560-019-0351-0

Li-S電池研究中的常見做法是提高電極孔隙率和使用過多的電解質來提高硫比容量。這里，作者通過將嵌入型Mo₆S₈與轉化型硫結合以實現Li–S全電池，提出了一類致密的嵌入-轉換雜化正極。具有快速鋰離子遷移能力、高機械強度、高電子電導率，高活性容量貢獻和對多硫化鋰的高親和力的Mo₆S₈被證明是固定硫化物并釋放其高質量比容量的理想骨架。本文探索了在低碳含量（~?10 wt%）、低電解質/活性物質比（1.2 μL?mg^-1）、低正極孔隙率（~55 vol%）和高負載(>10 mg cm^-1)的真實情況下的循環穩定性和倍率性能。使用這種混合正極和兩倍過剩的鋰負極組裝的軟包全電池表現出了366 Wh?kg^-1和581 Wh?l^-1的體積能量密度。

28.Diffusion-free Grotthuss topochemistry for high-rate and long-life proton?batteries

Nature Energy, DOI：10.1038/s41560-018-0309-7

具有與雙電層電容器的電極同等高倍率能力和長循環壽命的法拉第電池電極的設計是一個巨大的挑戰。在這里，作者報道了一種利用Grotthuss質子傳導的概念來彌補這一性能差距的策略，其中質子轉移是通過氫鍵網絡中的協同裂解和O–H鍵形成而發生的。作者發現，在水合的普魯士藍類似物（Turnbull's blue）中，具有連續氫鍵網絡的大量晶格水分子在氧化還原反應過程中促進了Grotthuss的質子傳導。當將其用作電池電極時，作者發現在4000 C（380 A g^?1，508 mA cm^-2）的高倍率下具有73萬次循環壽命。這些結果表明，質子的無擴散Grotthuss拓撲化學與需要離子在電極內部擴散的電池電化學作對比，為大功率應用革新電化學能量存儲指明了潛在方向。

29.Trace doping of multiple elements enables stable battery cycling of LiCoO₂ at 4.6V

Nature Energy, DOI：10.1038/s41560-019-0409-z

LiCoO₂因其高體積能量密度而是一種主要的鋰離子電池正極材料，其體積能量密度可以通過充電到更高的電位而改善。但是，LiCoO₂高電位充電的實際應用卻被其在深度脫鋰狀態下的結構不穩定性和因此帶來的安全問題所阻礙。這里，作者通過痕量的Ti-Mg-Al共摻雜而實現了LiCoO₂在4.6 V下的穩定循環。通過使用最先進的同步加速器X射線成像和光譜技術，作者確定了了將Mg和Al摻入了LiCoO₂晶格中，抑制了高于4.5 V的電壓時不希望發生的相變。作者還表明，即使微量，Ti元素也會在晶界和表面顯著偏析，從而改變了顆粒的微觀結構，同時在高電壓下穩定了表面氧。這些摻雜元素通過不同的機制起作用，并協同促進LiCoO₂在4.6 V的循環穩定性。

30.Building ultraconformal protective layers on both secondary and primary particles of layered lithium transition metal oxide cathodes

Nature Energy, DOI：10.1038/s41560-019-0387-1

盡管層狀鋰過渡金屬氧化物具有相對較高的容量，但它們在劇烈的電化學和熱驅動力作用下仍具有晶體和界面結構的不穩定性，從而導致性能快速下降和嚴重的安全隱患。在這里，作者報道了一種使用氧化化學氣相沉積技術在層狀氧化物正極材料上建立保護性導電聚合物（聚（3,4-乙撐二氧噻吩））表層的轉化方法。超共聚的聚（3,4-乙撐二氧噻吩）表層可促進鋰離子和電子的傳輸，顯著抑制了層狀結構轉變為尖晶石/巖石鹽的相變和相關的氧損失，減輕了晶間和顆粒內機械裂紋，并有效穩定正極-電解質界面。這種方法顯著增強了電極高壓運行時的容量和熱穩定性。在二級和一級顆粒氧化物層上都建立保護表層，為富鎳正極應用于高能量，長壽命和安全的鋰離子電池提供了一種有前途的設計策略。

31.High electronic conductivity as the origin of lithium dendrite formation within solid electrolytes

Nature Energy, DOI：10.1038/s41560-018-0312-z

固態電解質被普遍認為是鋰金屬負極可以用于高能量密度電池的關鍵。但是最近一些研究報道表明在Li₇La₃Zr₂O₁₂?(LLZO) 和Li₂S–P₂S₅中實際上更容易生長鋰枝晶，但是其中機制仍然不清楚。這里作者通過使用計時原位中子深剖技術檢測在鋰沉積過程中在固態電解質中的鋰離子濃度動態演變來說明鋰枝晶的形成機制，作者對三種流行且具有代表性的固態電解質進行了研究，分別為LiPON、LLZO、無定形Li₃PS₄。盡管我們沒有觀察到LiPON中鋰濃度的變化我們可以看到在LLZO和Li₃PS₄體相中的大量直接沉積。作者的研究表明，LLZO和Li₃PS₄的高電子電導率是鋰枝晶生長的主要原因。降低固態電解質的電子電導率而不是提高其離子電導率是全固態鋰電池成功的關鍵。

32.Fundamentals of inorganic solid-state electrolytes for batteries

Nature Materials, DOI：10.1038/s41563-019-0431-3

在可持續能源存儲的關鍵領域，固態電池因其安全性、能量密度和循環壽命優勢而備受關注。 這篇綜述通過解決多尺度離子傳輸、電化學和機械性能以及當前加工路線中的關鍵問題，描述了對固態電池概念核心的無機固態電解質的基本理解和最新進展。實際固態電池中與電解質有關的主要挑戰包括金屬負極的利用，界面的穩定和物理接觸的維護，這些問題的解決方案取決于對固態電解質材料的基本性能的更多了解。

33.Metal-oxygen decoordination stabilizes anion redox in Li-rich oxides

Nature Materials, DOI：10.1038/s41563-018-0276-1

從（電）催化劑到鋰離子電池，可逆高壓氧化還原化學是許多電化學技術的重要組成部分。氧負離子氧化還原對此類應用特別是在鋰離子電池方面引起了廣泛的關注，因為它在多種氧化物材料中提供了很高的氧化還原容量（高于4?V?的高電壓條件下）。然而，氧的氧化幾乎普遍與不可逆的局部結構轉變、電壓滯后和電壓衰減相關，目前阻止了其廣泛實際使用。通過全面研究Li_2-xIr_1-ySn_yO₃模型系統，發現該系統在循環時表現出可調節的氧化態和y隨循環的結構演變，我們發現這種結構-氧化還原偶聯是由短約1.8?金屬-氧π鍵和在氧氧化還原過程中發生的約1.4?O-O二聚體的的局部穩定作用引起的。至關重要的是，這些氧化型氧的形成需要通過在相鄰陽離子位點形成空位將氧解配為單個共價鍵配體，從而驅動陽離子錯排。這些見解建立了一個點缺陷的解釋，說明了為什么在循環過程中陰離子氧化還原經常與局部結構錯排和電壓滯后同時發生。這些發現為富含鋰的層狀氧化物的獨特電化學性質提供了解釋，通常對利用氧氧化還原化學的材料設計提供了一種思路。

34.Cycle stability of conversion-type iron fluoride lithium battery cathode at elevated temperatures in polymer electrolyte composites

Nature Materials, DOI：10.1038/s41563-019-0472-7

金屬氟化物轉換正極材料為開發低成本鋰離子電池提供了一條途徑。不幸的是，這種正極在高溫下性能極差，這可能會阻止它們在大規模儲能應用中的使用。在這里，作者報道用固體聚合物電解質代替常用的有機電解液可以克服這一障礙。作者展示了高容量（> 450 mAh g^-1）FeF₂正極中在50°C下具有300次的長循環穩定性。不使用液態溶劑減少了電解質的分解，而固體聚合物電解質的機械性能提高了正極的結構穩定性。研究發現表明，在活性顆粒上形成彈性、薄而均勻的正極/電解質中間層是穩定電化學性能的關鍵。金屬氟化物在高溫下的成功運行為其實際應用和未來的成功商業化開辟了一條新途徑。

35.Critical stripping current leads to dendrite formation on plating in lithium anode solid electrolyte cells

Nature Materials, DOI：10.1038/s41563-019-0438-9

鋰剝離時的臨界電流密度被認為是鋰沉積時枝晶生長和電池失效的關鍵因素。當剝離電流密度導致鋰剝離的速度比沉積更快時，空位就在鋰表面隨著循環次數的增加不斷積累，這會提高表面的局部電流密度并最終導致在鋰沉積過程中的鋰枝晶生長和短路及電池失效。這種情況甚至發生在當平均電流密度低于鋰沉積過程中鋰枝晶生長的閾值時。對于Li/Li₆PS₅Cl/Li對稱電池來說，在3?MPa和7?MPa的壓力下，鋰枝晶生長的電流分別是0.2 mA?cm^-2和1.0 mA cm^-2,而其在3?MPa和7?MPa的壓力下，臨界電流密度為2 mA?cm^-2。壓力與剝離的關系說明蠕變而不是鋰擴散才是將鋰傳輸到界面處的主要機制。臨界剝離電流密度是限制全固態鋰電池功率密度的主要因素。在固態電池中可能需要相當大的壓力才能實現中等功率密度。

36.Polymer-inorganic solid-electrolyte interphase for stable lithium metal batteries under lean electrolyte conditions

Nature Materials, DOI：10.1038/s41563-019-0305-8

固態電解質中間層（SEI）在穩定可充電電池的鋰金屬負極方面至關重要。然而SEI在循環過程中不斷重建且消耗電解質。穩定SEI的合理設計受到無法控制其結構和穩定性的阻礙。這里，作者報道了一種使用反應性聚合物復合物的分子級SEI設計，這種設計有效地抑制了在SEI形成和保持過程中的電解液的消耗。該SEI層由聚合物鋰鹽、氟化鋰納米顆粒和氧化石墨烯片層組成，這些結構由低溫透射電子顯微鏡、原子力顯微鏡和表面敏感光譜學表征得到。該結構不同于常規電解液衍生的SEI，并且具有優異的鈍化性能、均質性和機械強度。有機-無機復合SEI的使用能夠確保高效率的鋰沉積，并且在貧電解質、限制鋰過量和高容量條件下使4?V?Li | LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂電池具有高循環穩定性。同時這種方法也可用來設計鈉金屬負極和鋅金屬負極的SEI。

37.A high-rate and long-life organic-oxygen battery

Nature Materials, DOI：10.1038/s41563-019-0286-7

堿金屬-氧氣電池具有很高的質量能量密度，但是面臨著金屬負極帶來的速率性能差、循環壽命短和安全問題等問題。這里，作者提出了一種安全、高倍率性能、長壽命的氧氣電池，這種電池使用了聯苯鉀/鉀復合負極和二甲基亞砜介導的超氧化鉀正極。所提出的聯苯鉀/鉀復合負極在高電流密度下表現出了不可思議的長壽命循環（3000次）和高達99.84%的庫侖效率。作者通過苯環上添加供電子甲基基團進一步降低了聯苯的氧化還原電勢，成功實現了0.14 V(vs K/K⁺)的氧化還原電勢。這闡明了進一步提高堿金屬有機氧氣電池的電池電壓和能量密度的方向和機會。

38.Origin of lithium whisker formation and growth under stress

Nature Nanotechnology, DOI：10.1038/s41565-019-0558-z

鋰金屬具有最低的標準電化學氧化還原電勢和高理論比容量，使其成為可充電電池的終極負極。然而，鋰金屬負極在電池中的應用被鋰枝晶的問題所阻礙，枝晶的生長會消耗電解質和活性鋰并且可能導致短路。要想解決這個問題依賴于對鋰枝晶在隔膜的應力限制下的產生和生長機制的充分理解。在這里，通過將原子力顯微鏡的懸臂耦合到環境透射電子顯微鏡中的固體開孔裝置中，我們可以直接捕獲在彈性約束下鋰晶須的形核和生長行為。作者表示鋰沉積過程被單晶鋰顆粒的沒有生長取向的緩慢形核激活。引人注目的是，作者發現鋰離子的表面遷移受阻對接下來的沉積形貌起決定性作用。作者進一步探究了這些發現在使用一系列碳酸酯類和醚類電解質的實際電池中的有效性。最后，作者證明鋰枝晶可以在某些彈性約束下可以屈服、彎曲、扭結或停止生長。

39.Bridging the academic and industrial metrics for next-generation practical batteries

Nature Nanotechnology, DOI：10.1038/s41565-019-0371-8

電池已經對我們現代世界的產生了巨大影響。這項成功是過去幾十年來學術界與工業界緊密合作的結果，最終使得可充電鋰離子電池的問世和不斷改進。隨著對應用的要求越來越高，存在商業電池性能停滯不前的增長會減慢諸如電動汽車等重要技術使用電池的風險。然而，科學文獻中有許多報告描述了據稱具有優越性能的材料設計。如果我們希望這些基于實驗室的成就實現商業化，則需要填補相當大的空白。在這篇文章中，我們討論了一些最相關的測試參數，這些參數在學術文獻中經常被忽略，但對于實驗室外的實際適用性至關重要。我們解釋了諸如負極能量密度、電壓滯后、非活性電池組件的質量以及負極/正極質量比之類的指標，并為以后的論文提出了建議。我們希望，這篇文獻以及最近開始出現的其他類似指導原則，將有助于從實驗室規模的研究向下一代實用電池的過渡。

40.Ultrathin, flexible, solid polymer composite electrolyte enabled with aligned nanoporous host for lithium batteries

Nature Nanotechnology, DOI：10.1038/s41565-019-0465-3

人們對更安全電池的緊迫需求引導了對全固態鋰電池的研究。為了實現可以與使用液態電解液電池相比的能量密度，需要具有高離子電導率的超薄和超輕的固態電解質。然而，與商用聚合物隔膜厚度相當的固態電解質因其具有短路的風險而面臨著巨大的挑戰。這里，作者報道了聚合物-聚合物固態電解質的設計，該安全的固態電解質是8.6 μm厚的多孔聚酰亞胺膜中填充PEO/LiTFSI復合物制備而成。聚酰亞胺膜是不易燃的和高機械強度的，阻礙了在電池循環1000 h過程中的短路，其中的垂直孔道提高了灌注聚合物電解質的離子電導率（2.3 × 10^?4?S cm^?1 at 30 °C）。使用PI/PEO/LiTFSI固態電解質的全固態鋰離子電池在60℃下表現出了優異的循環性能（200次循環，1/2 C），并且可以經受彎曲、切割和針刺等極端情況。

41.Self-smoothing anode for achieving high-energy lithium metal batteries under realistic conditions

Nature Nanotechnology, DOI：10.1038/s41565-019-0427-9

盡管針對穩定鋰金屬負極結構和抑制鋰枝晶生長做出了相當多的努力，在現實情況下實現高能量密度電池的長循環穩定性仍然十分困難，這是由于包括加速負極破壞和電解質及鋰離子的消耗等復雜的失效模型結合在一起。這里，作者報道了一種基于介孔碳納米纖維的自平滑鋰碳負極結構，這種負極與高鎳三元正極材料匹配，可以使電池級的能量密度達到350 Wh kg^-1~380 Wh kg^-1（計算所有的活性部分和非活性部分）并且循環壽命高達200次。這些電化學性能是在實用化高能量密度可充電鋰金屬電池所要求的真實情況下得到的：正極負載量≥4.0 mAh cm^-2，負極/正極容量比≤2，電解質質量與正極容量比≤3 g Ah^-1。這種負極的高穩定性是由于胺官能化和介孔碳結構促進了鋰平滑沉積。

42.In situ quantification of interphasial chemistry in Li-ion battery

Nature Nanotechnology, DOI：10.1038/s41565-018-0284-y

固態電解質中間層可能是電池部件中被理解最少的。人們已經付出了巨大的努力來理解其在現實條件下的形成和電化學，但都是間接性的給出機制性的間接。這里，作者通過結合原子尺度顯微鏡和原位觀測技術展示了SEI在石墨負極和碳酸酯類電解液界面處的形成過程。特別是，作者使用電化學石英晶體微量天平稱量石墨負極的初始鋰化過程，確定了氟化鋰和烷基碳酸鋰是在不同的電勢下的主電化學成分。原位氣體分析證實了環狀碳酸酯分子的還原優先于無環碳酸酯分子，使其還原產物成為SEI的主要成分。作者發現SEI的形成始于石墨片層邊緣，伴隨著溶劑化鋰離子在石墨層間的插層二聚化。盡管人們普遍認為SEI是電化學惰性的且是不可逆的，但至少以新生形式存在的這種鋰鹽是可以重新氧化的。

本文由智子供稿。

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