電池領域大牛們近期頂刊成果集錦：南策文、楊勇、張強、郭玉國

清華大學南策文院士Science：超順電弛豫鐵電體中的超高能量存儲

基于電介質的靜電儲能技術是先進電子和大功率電氣系統的基礎。最近，以納米域為特征的弛豫鐵電體作為具有高能量密度和高效率的電介質顯示出巨大的應用前景。南策文院士帶領其團隊展示了具有超順電設計的弛豫鐵電薄膜的能量存儲性能的顯著增強。納米域按比例縮小為幾個單元的極性簇，幾乎消除了極化切換滯后，同時保持了相對較高的極化。我們在超順電釤摻雜鐵酸鉍-鈦酸鋇薄膜中實現了 152 J/cm³的超高能量密度，并顯著提高了效率（在 3.5 MV/cm的電場下>90%）。相關研究成果以“Ultrahigh energy storage in superparaelectric relaxor ferroelectrics”?為題報道于Science期刊上。

原文鏈接：https://www.science.org/doi/abs/10.1126/science.abi7687

DOI:?10.1126/science.abi7687?

廈門大學楊勇教授SA：可充電鋰金屬電池失效過程的定量分析

由于鋰枝晶的連續形成、電化學隔離的鋰金屬以及固體電解質中間相（SEI）的不可逆形成，鋰（Li）金屬在高能量密度鋰金屬電池中的實際應用受到了阻礙。區分和量化這些非活性鋰物質是了解失效模式的關鍵。該研究通過使用原位核磁共振 (NMR) 光譜結合非原位滴定氣相色譜 (TGC) 和質譜滴定 (MST) 技術，為分別量化非活性鋰金屬和 SEI 的演變奠定了堅實的基礎。測試出LiH的存在，導致這三種技術獲得的非活性鋰金屬的定量結果存在偏差。對各種操作條件下非活性鋰的形成進行了定量研究，揭示了鋰金屬的一般“兩階段”失效過程。該研究介紹的組合技術為揭示鋰金屬的復雜失效機制建立了基準。研究成果以“Quantitatively analyzing the failure processes of rechargeable Li metal batteries”為題報道于?Sci. Adv.?期刊上。

原文鏈接：https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.abj3423

DOI:?10.1126/sciadv.abj3423?

廈門大學楊勇教授AEM：將缺陷與全固態電池中鋰枝晶的形成和生長聯系起來

沉積過程中鋰金屬的成核和生長以及相關的枝晶滲透是影響固態鋰金屬電池 (SSLB) 安全性和功率密度的關鍵和基本問題。然而，關于鋰金屬沉積/溶解，尤其是鋰枝晶的形成和生長及其在全固態電化學系統中的決定因素的研究仍然缺乏。在這項研究中報道了鋰金屬生長過程的原位觀察，以及陰極負載下缺陷誘導的異質沉積。利用原位掃描電子顯微鏡和電化學分析方法，獲得并討論了在電極|固體電解質界面沉積的鋰的空間分布和形態演變。該研究表明，鋰晶須的形成取決于局部鋰離子通量和沉積活性位點，這與多晶電解質中缺陷的含量和類型密切相關。此外，缺陷區域表現出更快的鋰沉積動力學和更高的成核趨勢。這些結果可以促進對 SSLB 中鋰滲透機制的基本理解。研究成果以“Linking the Defects to the Formation and Growth of Li Dendrite in All-Solid-State Batteries?”為題報道于?Adv. Energy Mater.?期刊上。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.202102148

DOI:?10.1002/aenm.202102148?

廈門大學楊勇教授AM：碳質納米管中鋰晶體包封和受限生長的機理探索

將鋰封裝在單個納米膠囊內的密閉空間中很有趣，并且非常適合開發高性能鋰金屬負極。該項研究旨在對鋰封裝及其在一維封閉空間內的受限生長動力學進行機械理解。為了實現這一點，使用原位透射電子顯微鏡將無定形碳納米管用作模型主體。碳殼具有雙重作用，提供幾何/機械約束和電子/離子傳輸通道，這極度地改變了鋰的生長模式。Li 的生長/溶解是通過 Li⁺在表面添加/去除原子而發生的沿電場方向沿殼自由擴散，導致形成不尋常的鋰結構，例如多晶納米線和獨立的二維超薄（1-2 nm）鋰膜。這種受限的前向生長過程以鋰 {110} 或 {200} 生長面為主，與納米管外單晶鋰枝晶的根生長不同。受控實驗表明，通過足夠的氮/氧摻雜或預鋰化實現的高親鋰性/滲透性對于鋰在碳質納米膠囊內的穩定封裝至關重要。基于第一性原理的計算表明，N/O 摻雜可以降低 Li?⁺滲透的擴散勢壘，并促進由與低能 Li/C 界面形成相關的能量最小化驅動的 Li 填充。相關研究成果以“”?為題報道于?Adv. Mater.期刊上。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202105228

DOI:?10.1002/adma.202105228?

清華大學張強教授AFM：FeNi基電催化劑的共協同鉬酸鹽氧代陰離子改性用于高效的析氧反應?

催化協同作用是能量轉換反應中未解決的活性描述符。清華大學張強教授帶領其研究團隊報告了通過協同增強的表面/界面相互作用，如界面電荷轉移、表面中間體吸附、原位相變和氣泡演化，用鉬酸鹽含氧陰離子改性的 FeNi 模型催化劑協同增強的固有析氧反應活性. 捕捉到這種協同作用揭示了氧去質子化到羥基氧化物狀態的加速轉變，即用 Fe 和 Ni 活性位點，Fe 和 Ni 局部微環境立即轉變為 γ -FeOOH 和β-NiOOH 相，以及超快氣泡生長和釋放。在操作過程中，隨著界面法拉第電阻的動態變化的減少，對加速的氧氣泡演化動態進行了監測。這種協同的鉬酸鹽改性導致析氧周轉頻率增加十倍，以及提供 10 mA cm^-2?和 1000 mA cm^-2相對于 FeNi 模型催化劑的過電位降低 55 mV 。該研究成果以“Cosynergistic Molybdate Oxo-Anionic Modification of FeNi-Based Electrocatalysts for Efficient Oxygen Evolution Reaction?”為題發表于Adv. Funct. Mater.期刊上。

原文鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202107342

DOI:10.1002/adfm.202107342??

清華大學張強教授JACS:?用于高性能鋰硫電池的半固定化分子電催化劑

鋰硫 (Li-S) 電池由于具有 2600 Wh kg^–1的超高理論能量密度，成為很有前景的下一代儲能裝置. 然而，具有復雜的均相和非均相電化學過程的多相硫氧化還原反應動力學緩慢，因此需要有針對性的高效電催化劑。該研究，設計了一種半固定化分子電催化劑來調整工作中的 Li-S 電池中硫氧化還原反應的特征。也就是說，卟啉活性位點共價接枝到石墨烯集流體上的導電和柔性聚吡咯連接體上。具有半固定化活性位點的電催化劑同時表現出均相和非均相功能，增強氧化還原動力學和調節相變模式。半固定化策略的效率在高能量密度Li-S軟包電池中得到驗證。這一貢獻不僅提出了一種有效的半固定化電催化劑設計策略來提高 Li-S 電池的性能，而且還激發了面臨類似多相電化學能量過程的電催化劑的發展。該研究成果以“Semi-Immobilized Molecular Electrocatalysts for High-Performance Lithium–Sulfur Batteries?”為題發表于J. Am. Chem. Soc.期刊上。

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.1c09107

DOI:?10.1021/jacs.1c09107

清華大學張強教授JACS Nano:鋰離子電池二維材料的可用性識別框架和高通量篩選?

二維材料（2D材料）由于其固有的離子通道和豐富的離子位點，在高性能鋰離子電池材料中顯示出巨大的優勢。不幸的是，稀有的 2D 材料擁有滿足復雜場景所需的所有屬性。進一步豐富鋰離子電池使用的二維材料數據庫引起了廣大研究者的興趣。在這項研究中，研究者們基于二維材料識別理論擴展了鋰離子電池的候選名單。更重要的是，提出了利用離子在二維材料上的吸附性和可逆性之間的競爭機制的可用性識別框架，以幫助更深入地篩選可行的二維材料。因此，預計包括 158 個陽極、21 個陰極和 36 個固體電解質在內的 215 種二維材料可用于鋰離子電池。已識別的 2D 材料與已知材料之間的比較驗證了該策略的可靠性。這項工作顯著豐富了二維材料的選擇，以滿足各種電池需求，并提供了一種通用方法來評估未開發的鋰離子電池二維材料的可用性。該研究成果以“?”為題發表于ACS Nano期刊上。

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.1c05920

DOI:?10.1021/acsnano.1c05920?

中國科學院化學研究所郭玉國研究員AFM：基于 LixPO₄?的有機磷混合固體電解質中間層使高性能鋰金屬電池的鋰沉積均勻?

鋰金屬因其最高的比容量和最低的電位而成為下一代可充電電池系統的有前途的陽極候選物。然而，低庫侖效率（CE）和循環過程中鋰枝晶的形成嚴重阻礙了其實際應用。該研究，基于使用植酸（PA）作為鋰金屬表面處理化學品的表面螯合策略，提出了一種有機磷混合柔性固體電解質中間相（SEI）層。與傳統的 SEI 層不同，PA 和 Li⁺之間的多核復合物在這個SEI層中充當“連接器”，不僅保證了它的機械柔韌性，而且提高了它的親鋰性和離子電導率。憑借這些優勢，在 0.5 mA cm^-2的電流密度下，Li || Cu電池在 500 次循環中表現出 99.0% 的高 CE 。Li || Li對稱電池還可以在 10.0 mA cm^-2的高電流密度下保持穩定的鋰電鍍/剝離過程超過 2500 小時。此外，基于該策略的所有鋰金屬電池（Li || S、Li || NCM、Li || LFP 等）都表現出長循環壽命和高容量保持率。這種表面螯合策略被認為為制造穩定有效的 SEI 層提供了新的途徑，以用于鋰金屬電池的實際應用。研究成果以“Organophosphorus Hybrid Solid Electrolyte Interphase Layer Based on LixPO4 Enables Uniform Lithium Deposition for High-Performance Lithium Metal Batteries?”為題報道于Adv. Funct. Mater期刊上。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202107923

DOI:10.1002/adfm.202107923??

?中國科學院化學研究所郭玉國研究員JACS：用于實用高能鋰金屬電池的雙電極通過原位非晶電極-電解質界面的協同屏蔽

固態鋰金屬電池為高安全性和高能量密度的儲能系統提供了絕佳的機會。然而，旨在導致整體令人滿意的界面穩定性的冗余界面改性層顯著降低了實際能量密度。該研究，提出了一種雙界面非晶正極電解質界面/固體電解質界面 CEI/SEI 保護 (DACP) 策略，以克服混合固液電池中電化學副反應和鋰枝晶的主要挑戰，同時不會通過 LiDFOB 和 LiBF₄?原位協同轉化犧牲能量密度。無定形 CEI/SEI 產品具有超低的質量比例，可作為動態屏蔽，協同加強具有保存完好的結構的雙電極。因此，這種原位 DACP 層巧妙地調和了多種界面相容性和高能量密度。兼容修改策略為未來固態電池系統中實用接口的設計提供了一種有前途的方法。研究成果以“Cooperative Shielding of Bi-Electrodes via In Situ Amorphous Electrode–Electrolyte Interphases for Practical High-Energy Lithium-Metal Batteries?”為題報道于?J. Am. Chem. Soc.?期刊上。

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.1c08425

DOI:?10.1021/jacs.1c08425

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