回顧：2020年“金屬離子電池”領域都取得了哪些重要的研究成果

近些年來，金屬離子（鋰離子，鈉離子和鎂離子）電池由于其具有高的能量密度，低成本以及環境友好等特點被人們廣泛關注。因此，我們對2020年金屬離子電池領域在Science和Nature主刊以及子刊上發表的重要研究成果進行了梳理，回顧了以下10篇具有代表性的文章，希望本文能夠幫助廣大讀者更好的理解金屬離子電池在未來的發展方向。

1、Science：具有高倍率高容量鋰存儲界面的黑磷復合材料

高倍率鋰離子電池可以在幾分鐘內充電并能夠存儲足夠行駛350英里的能量，這對于純電動汽車來說是非常重要的。高充電速率通常會導致容量和循環穩定性的損失。因此，中國科學技術大學季恒星教授研究團隊報道了黑磷(BP)作為高倍率、高容量鋰存儲器的陽極材料。與石墨形成共價鍵抑制了層狀BP粒子的邊緣重構，保證了Li⁺快速嵌入的開放邊緣;共價結合的BP-石墨顆粒與電解質膨脹的聚苯胺形成了穩定的固體電解質界面，并抑制了導電不良的氟化鋰和碳酸鹽的持續增長，以確保有效的Li⁺傳輸。合成的復合陽極材料在容量、倍率和循環壽命方面表現出優異的電化學性能。該成果以“Black phosphorus composites with engineered interfaces for high-rate high-capacity lithium storage”為題，發表在Science上。DOI: 10.1126/science.aav5842。

原文鏈接：https://science.sciencemag.org/content/370/6513/192.

2、 Nature：新型陽極材料無序巖鹽實現鋰離子電池的快速充電

具有高能量密度的可充電鋰離子電池，可以安全地進行高倍充電和放電，適用于電氣化運輸和其他應用領域。然而，電流陽極的次優嵌入電位導致能量密度、功率和安全性之間的權衡。?美國加州大學圣地亞哥分校劉平教授與Shyue Ping Ong教授，加州大學歐文分校Huolin Xin教授和美國阿貢國家實驗室陸俊研究員報道了無序巖鹽Li_3+xV₂O₅可作為快速充電的陽極材料，與Li/Li⁺參比電極相比，可在約0.6V的平均電壓下可逆地循環兩個鋰離子。如果使用適當的充電控制，與石墨相比，增加的電位降低了金屬鋰沉積的可能性，減輕了一個主要的安全問題(Li枝晶生長有關的安全問題)。此外，無序巖鹽Li₃V₂O₅陽極鋰離子電池產生的電池電壓遠高于商業快速充電的鈦酸鋰陽極或其他插入備選的陽極材料(Li₃VO₄和LiV_0.5Ti_0.5S₂)。更進一步，無序巖鹽Li₃V₂O₅可以進行超過1000次的充放電循環，容量衰減可以忽略不計，并且表現出優異的倍率性能，在20秒內提供超過40%的容量。作者將無序巖鹽Li₃V₂O₅的低電壓和高倍率性能歸因于具有低勢壘的鋰嵌入機制。這種低電位、高倍率的插層反應可用于鑒別其他金屬氧化物陽極，用于快速充電、長壽命鋰離子電池。該研究成果以“A disordered rock salt anode for fast-charging lithium-ion batteries”為題，發表在Nature上。DOI:?10.1038/s41586-020-2637-6。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-020-2637-6.

3、Science：單晶富鎳陰極的可逆平面滑動和微裂紋

高性能富鎳陰極材料在先進的鋰離子電池中發揮著重要的作用，但它面臨著重大的挑戰，例如對水分的敏感性、劇烈的副反應和循環過程中的產氣等。通過減少相邊界和材料表面，單晶富鎳陰極材料有很大的潛力來解決多晶富鎳陰極所面臨的挑戰。然而，盡管單晶富鎳陰極的過電位、微觀結構和電化學行為之間存在著根本性的聯系，但高性能單晶富鎳陰極的合成仍然是一個具有挑戰性的課題。近日，美國西太平洋國家實驗室肖杰研究團隊通過原位原子力顯微鏡和理論模型研究了單晶LiNi_0.76Mn_0.14Co_0.1O₂（NMC76）材料的電化學耦合行為。結果表明，在單晶富鎳陰極中，觀察到沿（003）晶面的可逆滑移和微裂紋。微結構缺陷的可逆形成與晶格中Li原子濃度梯度引起的局部應力有關，為從合成改性中減輕顆粒裂紋提供了新的見解。該成果以“Reversible planar gliding and microcracking in

a single-crystalline Ni-rich cathode”為題，發表在Science上。DOI：10.1126/science.abc3167。

原文鏈接：https://science.sciencemag.org/content/370/6522/1313.

4、Science：鈉離子電池層狀氧化物材料的合理設計

鈉離子電池因其豐富的鈉元素而在電網儲能領域受到廣泛的關注。這種電池的性能受到現有電極材料的限制，尤其是鈉離子層狀氧化物，這促使了人們對高組成多樣性的探索。結構化學是決定電化學性能的決定性因素，但預測非常具有挑戰性，特別是對于復雜的組成。因此，中國科學院物理研究所研究員胡永勝、陸雅翔和哈佛大學Alán Aspuru-Guzik，波爾多大學Claude Delmas，代爾夫特理工大學Marnix Wagemaker合作引入“陽離子勢”來捕捉層狀材料的關鍵相互作用，并使預測層狀結構成為可能。通過合理設計和制備層狀電極材料，提高了電極材料的性能，證明了這一點。這種方法為堿金屬層狀氧化物的設計提供了一種新的解決方案。該成果以“Rational design of layered oxide materials for sodium-ion batteries”為題，發表在國際著名期刊Science上。DOI:?10.1126/science.aay9972。

原文鏈接：https://science.sciencemag.org/content/370/6517/708.

5、Science：快速充電鈦酸鋰離子輸運的動力學途徑

快速充電鋰離子電池通常使用能夠通過固溶轉化連續容納鋰的電極，因為除了離子擴散外，它們幾乎沒有動能障礙。一個例外是鈦酸鋰(Li₄Ti₅O₁₂)，這是一種表現出非凡倍率性能的陽極材料，它的兩相反應和Li在兩相中的緩慢擴散明顯不一致。因此，美國布魯克海文國家實驗室Feng Wang和勞倫斯伯克利國家實驗室Gerbrand Ceder等人利用原位電子能量損失光譜實時跟蹤Li⁺的遷移，揭示了沿兩相邊界亞穩態中間體中扭曲的Li多面體的動力學路徑，使Li_4+xTi₅O₁₂中的遷移變得容易。該工作表明，通過訪問基態以上的能量景觀，可以實現高倍率的性能，這可能與基態宏觀相具有根本不同的動力學機制。這一發現為尋找高倍率電極材料提供了新的機會。該研究成果以“Kinetic pathways of ionic transport in fast-charging lithium titanate”為題，發表在Science期刊上。DOI:?10.1126/science.aax3520。

原文鏈接：https://science.sciencemag.org/content/367/6481/1030.

6、Nat. Nanotechnol：滲透選擇性金屬-有機框架凝膠膜可實現可充電有機電池的長壽命循環

可充電有機電池作為一種低成本、可持續、可批量生產的過渡金屬電池替代品，顯示出巨大的潛力；然而，嚴重的電極溶解問題和有機氧化還原中間體的溶解（穿梭效應）一直困擾著這些電池的容量保持率和可循環性。因此，韓國首爾國立大學Kisuk Kang教授研究團隊使用金屬-有機框架（MOF）凝膠膜作為有機電池的隔膜。均勻的微孔是MOF凝膠隔膜的固有特性，可作為目標有機中間體的選擇性滲透通道，從而在不犧牲功率的情況下減輕穿梭問題。使用MOF凝膠隔膜和5,5′-二甲基-2,2′-雙對苯醌（Me₂BBQ）作為電極的電池在2000次循環后顯示出高循環穩定性，容量保持率為82.9%，對應于每個循環約0.008%的容量衰減，在300 mA g^?1的電流密度下放電容量為約171 mA h g^?1。MOF凝膠隔膜的分子和離子篩分能力保證了普遍適用性，因為孔徑可以根據特定的有機電極材料進行調整。利用MOF凝膠隔膜防止可溶有機氧化還原中間體的副反應，可以開發出高能量密度、長循環壽命的可充電有機電池。該研究成果以“Permselective metal–organic framework gel membrane enables long-life cycling of rechargeable organic batteries”為題發表在著名期刊Nat. Nanotechnol上。DOI:?10.1038/s41565-020-00788-x。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41565-020-00788-x.

7、Nat. Energy：用于高性能、高安全鋰離子電池的超輕防火型集流體

非活性成分和安全隱患是實現高能量密度鋰離子電池的兩大關鍵挑戰。具有高密度的金屬箔集流體通常是鋰離子電池的一個組成部分，但不提供容量。同時，高能量密度電池可能會帶來更多的防火安全問題。近日，美國斯坦福大學崔屹教授團隊報道了一個復合集流體設計，同時最大限度地減少電池內的“自重”，提高電池的防火安全性。通過在兩個超薄Cu層（~500 nm）之間嵌入磷酸三苯酯阻燃劑的聚酰亞胺制備超輕聚酰亞胺基集流體（9 μm厚，比質量1.54 mg cm^?2）。與使用最薄的商用金屬箔集流體（~6 μm）組裝的鋰離子電池相比，使用該復合集流體的電池可以實現比能量提高16–26%，并在短路和熱失控等極端條件下可以有效阻止電池繼續燃燒。該研究成果以“Ultralight and fire-extinguishing current collectors for high-energy and high-safety lithium-ion batteries”為題發表在著名期刊Nat. Energy上。DOI:?10.1038/s41560-020-00702-8。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41560-020-00702-8.

8、Nat. Mater：共軛磺胺類有機鋰離子正極材料

由于缺乏含鋰和空氣穩定的有機正極化學反應，有機電池材料在傳統的搖椅式鋰離子電池中的適用性仍然受到了嚴重挑戰。經過幾十年的實驗和理論研究，只有少數鋰儲層材料是基于典型的共軛羰基氧化還原化學的。因此，比利時魯汶大學Alexandru Vlad教授和法國南特大學Philippe Poizot教授團隊合作用一類共軛磺酰胺（CSA）擴展了有機鋰離子正極材料的化學空間，并表明磺酰基上的電子離域使其在環境空氣中處理時具有固有的抗氧化性和水解性，并且顯示出電荷儲存的可逆電化學特性。未發現的CSA化學反應的正式氧化還原電位范圍在2.85 V到3.45 V之間(相對于Li⁺/Li⁰)，通過靜電或誘導分子設計可以很好地調節。這類有機電池正極材料對無機電池正極領域提出了挑戰，因為第一代CSA化學已經顯示出可與常規LiFePO₄相媲美的質量能量密度。該研究成果以“Conjugated sulfonamides as a class of organic lithium-ion positive electrodes”為題發表在著名期刊Nat. Mater上。DOI: 10.1038/s41563-020-00869-1。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-020-00869-1.

9、Sci. Adv：可打印的高性能固態電解質薄膜

目前的陶瓷固態電解質（SSE）薄膜由于非晶態結構或易揮發的Li損耗而具有較低的離子電導率（10^?8到10^?5 S/cm）。因此，美國馬里蘭大學胡良兵教授團隊報道了一種基于溶液的印刷工藝，然后快速（~3s）高溫（~1500℃）反應燒結制備高性能陶瓷SSE薄膜。該電極具有致密、均勻的結構和高達1mS/cm的離子導電性。此外，從前體到最終產品的制備時間通常為5分鐘，比傳統的SSE合成快10到100倍。這種打印和快速燒結工藝還允許在無交叉污染的情況下逐層制造多層結構。該技術可以很容易地擴展到其他薄膜器件，這為開發安全、高性能的固態電池和其他薄膜器件提供了前所未有的機會。該研究成果以“Printable, high-performance solid-state electrolyte films”為題發表在著名期刊Sci. Adv上。DOI:?10.1126/sciadv.abc8641。

原文鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/6/47/eabc8641.

10、Nat. Energy：采用非均相烯醇化氧化還原化學和弱配位電解質的高功率鎂電池

長期以來，鎂離子電池一直被視為鋰離子電池在低成本、高能量密度和安全性的的潛在替代品。然而，Mg²⁺與電解質溶液和正極材料發生強烈的相互作用，導致離子解離和擴散緩慢，從而導致低功率輸出。因此，美國休斯頓大學姚彥教授課題組聯合北美豐田研究所Rana Mohtadi報道了一種基于異相氧化還原烯醇化機理和弱配位電解液的高功率鎂電池，它繞過了解離和擴散的困難，實現了快速和可逆的氧化還原過程。這種動力學上有利的陰極與定制的弱配位硼團簇基電解液耦合，該電解液允許在20 mA cm^?2的電流密度下進行無枝晶鎂離子的電鍍/剝離。這種組合的Mg電池可提供高達30.4 kW kg^-1的比功率，比最先進的Mg電池高出近兩個數量級。本文所闡述的陰極和電解液化學技術將推動鎂電池的發展，并將加速這種低成本、高安全性的電池技術的應用。該研究成果以“High-power Mg batteries enabled by heterogeneous enolization redox chemistry and weakly coordinating electrolytes”為題發表在著名期刊Nat. Energy上。DOI:?10.1038/s41560-020-00734-0。

原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41560-020-00734-0.

本文由科研百曉生供稿。

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