頂刊動態|EES/AM等各類儲能電池近期研究進展【新能源周報160622期】
盡管鋰離子電池（LIBS）已經在便攜式電子應用領域獲得了巨大成功，但成本和安全壁壘使得先進的LIBS不適合大功率存儲和傳輸。作為替代方案，多價離子電池（如鎂、鈣、和鋁）由于其在安全性、成本和容量方面的優勢，有望成為新一代的能源存儲設備。因此，近年來許多研究人員致力于開發高性能多價離子電池。
1.Energy & Environmental Science：一種高容量鎂電池硫硼尖晶石型正極材料
隨著越來越多的國家在最大限度地減少化石燃料的消耗方面達成共識，對于有能量密度更高、成本更低的電池需求便逐漸加劇。鎂電池就是目前正在研究的新型電池系統之一。它依賴于一個鎂負電極，該電極在充電過程中不產生枝晶，并且其體積密度是鋰的兩倍。可惜的是，一直以來鎂電池的發展由于缺少功能性正極材料而受阻。
繼2000年第一代功能性正極材料（Mo6S8）發現后，近日滑鐵盧大學的Linda F. Nazar以及勞倫斯伯克利國家實驗室的Miao Liu等人提出了第二代功能性正極材料——立方硫硼尖晶石Ti2S4，并通過X射線衍射以及第一性原理計算的方法對鎂離子在晶格中的位置和流動進行了探究。Ti2S4材料使得鎂離子電池在60攝氏度，0.2 C的倍率之下循環可以達到其理論容量的80%。同時，這一高達230 Wh/kg的能量密度，是類似條件下Mo6S8的兩倍。這些研究結果也表明了“軟”陰離子對于實現二價陽離子在鎂電池正極材料中遷移的重要性。這對接下來繼續尋找鎂電池正極材料具有啟發性的意義。
文獻鏈接：A High Capacity Thiospinel Cathode for Mg Batteries
2.Advanced Materials：通過模仿人類頭發排列的柔性鋅空氣電池
隨著企業和個人對智能可穿戴和無線通訊電子器件的需求不斷增加，柔性高能量電池也正在被逐漸開發以適應這股新浪潮。鋅空氣電池相比其他類型的電池有一個重大的優勢——可以在能源密度方面進行改進。其高能量密度的優勢主要歸功于獨特的“半開放”系統，鋅與空氣中的氧在其中進行反應。鋅空氣電池的理論能量為1084 Wh kg?1，這一數值是目前鋰電池的四倍多。
滑鐵盧大學Zhongwei Chen課題組的研究人員通過對人體頭發陣列的形態仿真，提出了一種三維納米結構的可逆空氣電極，并在一個柔性固態鋅空氣電池中測試其性能。該電極相比傳統電極有以下優點：（1）特殊結構能大大提高整個電極的電子傳遞性能；（2）其中的活性位點可以顯著提高發電效率、活性物質利用率以及高電流密度；（3）多孔的三維納米結構有利于氧氣和電解質有效擴散。這種柔性電極材料的開發有望推進鋅空氣電池在智能可穿戴和無線通訊電子器件方面的運用。
文獻鏈接：Flexible Rechargeable Zinc-Air Batteries through Morphological Emulation of Human Hair Array
3.Angewandte Chemie International Edition：無水鈉-氧電化學放電產物的溶劑介導控制
雖然現在Li-O2，Na-O2電池的電解質已不局限于碳酸鹽、醚和離子液體（IL）。然而碳酸鹽和離子液體（IL）已被證明對于NaO2來說是不穩定的電解質。近期，研究者認為碳酸鈉和羧化物是Na2O2放電的主要產物。
利物浦大學史蒂芬森可再生能源研究所的Iain M. Aldous及Laurence J. Hardwick博士發現：在二氧分子降低的情況下，調整鈉離子數可導致NaO2和Na2O2在電極表面產生放電產物。調整這一過程機理的方向，可以增強確定這些鈉-氧電池能量密度的能力(NaO2 : 1071 Whkg-1 and Na2O2 :1505 Whkg-1)。通過對一系列的無水溶劑的光譜分析，我們發現了這些過程對電解液以及后續發生的Na+與O2間相互作用的依賴性。其中，溶液形成和去除[Na+-O2-]ads的能力是基于Gutmann施主數量的，它能夠影響最終的放電產物和電池機制。研究人員還利用表面增強拉曼光譜和電化學技術，分別表征了Na-O2電池與硫氧化物、酰胺、醚、腈等電解質溶劑的化學反應。這一研究結果對于探究Na-O2電池在有機溶劑的循環行為具有重要意義。
4.ACS Nano：用透射電子顯微鏡揭示鋰合金化電極中的相邊界擴展機理
電極在充放電循環過程中的微觀結構變化將直接影響電池循環壽命。因此揭示電極的微觀結構變化對探究電池循環性能有重要意義。但由于鋰離子電池負極材料的首次衰減在充放電曲線上表現得不夠明顯，因此Sandia國家實驗室的Andrew J. Leenheer等人運用透射電子顯微鏡（TEM）對全封閉的液體電池的原位納米相演變進行了表征，揭示了鋰離子電池負極材料首次衰減的個中原因。研究人員將非晶硅薄膜、晶體Al薄膜、晶體Au薄膜三種模型材料浸入在商業化的液體電解質中并控制鋰化和脫鋰速率，從而比較三者之間的電化學相變行為。這種方法允許在納米負極材料中直接觀察鋰化機制，它揭示了一個簡單的表面內鋰化點不足的模型。對于結晶薄膜，鋰化從幾個初始成核點開始橫向擴展，隨著生長界面連續的晶粒成核。其中的鋰化中間相由電子衍射確定，用高分辨率的解剖成像顯示最終的組織細節。研究結果表明，電化學誘導固體?固體相變將會在橫向擴展的相邊界產生高度集中的應力，這一現象應該在今后的鋰離子電池納米電極的開發設計中給予足夠的重視。
5.Advanced Energy Materials：一種新型的鎂-碘電池
鎂電池是極為有希望替代鋰離子電池的電化學儲能裝置。目前，最先進的電解質的organo–Mg配合物，盡管其表現出了優異的電化學性能，卻存在著嚴重的與可燃性和腐蝕性相關的安全問題。此外，在正極材料為Mo6S8的情況下，它們的實際能量密度過低（≈130 mAh g?1），不利于進行實際運用。在過去的十年中，室溫離子液體(RTILs)由于蒸氣壓低、非易燃性、高的室溫電導率的優點，被證明是開發新型能量儲存和轉換系統的關鍵材料。
近日，來自意大利帕多瓦大學Vito Di Noto研究小組與美國田納西大學Stephen J. Paddison教授合作，首次對一種用于第二代鎂離子電池的新型碘化鋁離子液體的合成與表征進行了報道。研究結果表明，這種類氯的系統有望在電沉積層上實現鎂/鋁可逆共沉淀，且庫倫效率高達99.94%。同時，通過簡單地改變鹵素鋁鹽離子液體中的鹵素原子可以調節其多種電化學性能，如電導率、庫倫效率、電化學沉積-剝離的過電壓以及沉積層的組成。這顯然將離子液體電解質在鎂電池中的應用推向一個新領域。
文獻鏈接：Toward a Magnesium-Iodine Battery
6.Advanced Energy Materials：一種高容量鎂電池聚蒽醌基有機正極材料
雖然在第一代功能性正極材料（Mo6S8）被發現后，鎂離子電池得以發展。但是，Mo6S8的理論容量僅有 130 mAh g?1，且只能在低于1.3 V的電壓工作，這并不利于高密度儲能。因此，尋找更高的工作電壓和更高容量的正極材料是目前發展鎂離子電池面臨的重要研究課題之一。
氧化還原活性的有機材料是另一種類型鎂離子電池正極材料，其優勢在于其資源的可持續性和環境友好性。美國西北大學的Chen Liao研究小組最近報告了兩種新的蒽醌基聚合物2,6-polyanthraquinone (26PAQ) 和1,4-polyanthraquinone(14PAQ)，以及1,5-poly(anthraquinonylsulfide) (PAQS)作為高性能鎂離子電池正極材料的研究進展。結果表明，在三者之中14PAQ在鎂離子電池中表現出電化學性能最佳。這有利于解決有機正極循環容量低的問題，構建一個更加穩定的、可循環的鎂離子電池系統。
文獻鏈接：Polyanthraquinone-Based Organic Cathode for High-Performance Rechargeable Magnesium-Ion Batteries
7.Nano Energy：一體化設計——具有柔性聚硫化物宿主及穩定的鋰合金負極的高性能鋰硫電池
鋰硫電池的容量衰減快及低載硫量的缺點阻礙著其實際的應用。近日，德克薩斯大學奧斯汀分校材料科學與工程學院的Arumugam Manthiram研究小組設計出一種強韌的柔性紙電極作為鋰硫電池上有效的硫宿主，該電極是由搭載著MnO2納米片的碳納米管（CNT）和活性炭納米纖維(ACNF)構成的。這種一體化的設計有利于提高載硫量和硫的利用率，并有效地抑制寄生穿梭效應。相應地，這有具有高載硫量的鋰硫電池也表現出了高倍率容量——2 C倍率下的容量為780 mAh g-1，以及高容量保持率——300次循環后容量保持在64%。這一研究成果極有希望推進Li-S電池的實際運用。此外，該研究也證明了穩定的鋰合金負極材料對穿梭效應的抑制作用也有助于改善電池的循環性能。
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