頂刊動態｜各類儲能電池大放異彩【新能源周報第21期】

蒜頭 7年前 (2016-09-25) 6871瀏覽

歷經幾十年的研究，鋰離子電池技術日趨成熟，且鋰資源的有限性制約進一步發展。于是人們紛紛將目光投向其他二次電池如鈉離子電池、鉀離子電池和鋁離子電池等。本期新能源周報將帶大家一覽近期各類儲能電池的研究進展。

1.Adv. Mater. : 無枝晶鉀電池——液態K-Na合金負極

圖1. 固態金屬負極轉變為液態金屬負極以抑制枝晶的示意圖

固態鉀金屬負極出現的枝晶現象阻礙鉀電池的發展。近來，美國德克薩斯州大學奧斯汀分校John B. Goodenough教授課題組（通訊作者）采用室溫下液態的K-Na合金固定在強韌多孔膜上作為負極，同時采用液態有機電解液，得到具有高循環穩定性的無枝晶鉀電池。這項工作為其他正極材料開辟新的機遇。

文獻鏈接：Liquid K–Na Alloy Anode Enables Dendrite-Free Potassium Batteries (Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201602633 )

2.Adv. Mater. : 鈉離子電池——碳點優化多層石墨烯包裹花瓣狀金紅石型TiO₂

圖2. 石墨烯包裹花瓣狀金紅石型TiO₂的形成示意圖

過去十年中人們致力研究形貌各異的TiO₂以提高電化學性能。最近，中南大學紀效波教授課題組（通訊作者）首次采用碳點作為“設計師添加劑”，誘導TiO₂從納米球生長為納米針，最后進一步制備多層石墨烯包裹花瓣狀金紅石型TiO₂。這項工作表明，碳點定制的獨特納米結構，伴隨著多層石墨烯的包裹，可以顯著提高金屬/金屬氧化物儲能系統的電化學性能。

文獻鏈接：Graphene-Rich Wrapped Petal-Like Rutile TiO₂ tuned by Carbon Dots for High-Performance Sodium Storage (Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201601621 )

3.Adv. Mater. : 氯鋁酸根離子插層獲得3D石墨泡沫（3DGF）用于超快鋁離子電池

圖3. 3DGF制備和電池組裝的示意圖，插圖分別為PG、首次膨脹PG、二次膨脹3DGF

石墨片的多孔結構是一種有趣的儲能或電催化材料。最近，美國斯坦福大學戴宏杰教授和山東科技大學林孟昌教授等（共同通訊）采用氯鋁酸根離子插層熱解石墨（PG），隨后進行熱膨脹和電化學析氫反應，制備含有排列整齊幾層石墨烯的新型3DGF。3DGF具有很好的各種電化學研究及應用前景。

文獻鏈接：3D Graphitic Foams Derived from Chloroaluminate Anion Intercalation for Ultrafast Aluminum-Ion Battery (Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201602958 )

4.Adv. Mater. : 選擇性滲透膜提高有機鈉離子電池循環穩定性

圖4. 鈉離子滲透膜示意圖

在有機電解液中溶解是有機電極材料碰到的難題。為了提高循環穩定性，德國伊爾梅瑙工業大學Yong Lei教授課題組（通訊作者）提出一種新策略，采用選擇性滲透膜允許鈉離子通過而阻止活性材料進入電解液。這項工作為提高有機鈉離子電池循環穩定性開辟新途徑。

文獻鏈接：A Selectively Permeable Membrane for Enhancing Cyclability of Organic Sodium-Ion Batteries ( Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201603240 )

5.Angew. Chem. Int. Ed. : 鈉離子電池負極材料——完全固溶度的鈷摻雜FeS₂納米球

圖5. Co摻雜FeS₂儲鈉機理示意圖

基于CoS₂和FeS₂具有相似的結構，韓國東國大學Yong-Mook Kang教授和南開大學陳軍教授等（共同通訊）采用溶劑熱法制備不同鈷含量的Co摻雜FeS₂并首次用于鈉電負極。Co_0.5Fe_0.5S₂表現出最佳的電化學性能，在2 A/g下循環5000次比容量保持有0.220 Ah/g，甚至在20 A/g下也有0.172 Ah/g，并發現在首次活化中轉變為層狀結構。該材料成為有前途的鈉離子電池負極材料。

文獻鏈接：Cobalt-Doped FeS2 Nanospheres with Complete Solid Solubility as a High-Performance Anode Material for Sodium-Ion Batteries (Angew. Chem. Int. Ed., 2016, DOI: 10.1002/ange.201607469 )

6.Angew. Chem. Int. Ed. : 碳氧化物鹽用于快速可充電池

圖6. 碳氧化物鹽的制備、結構和理論反應

碳氧化物鹽通過質子交換反應可作為Li、Na或K離子電池的電極材料。南開大學陳軍教授課題組（通訊作者）首次發現K₂C₆O₆可作為快速充放電的鉀離子電池正極材料，其比容量在0.2 C下高達212 mAh/g，10 C下保持有164 mAh/g。這項工作或將引發對鉀離子電池的開發。

文獻鏈接：Oxocarbon Salts for Fast Rechargeable Batteries (Angew. Chem. Int. Ed., 2016, DOI: 10.1002/anie.201607194 )

7.Adv. Energy Mater. : 鋰硫電池——共價有機框架高效化學吸附多硫化物

圖7. COF的制備和N、B摻雜COFs化學結構的示意圖

很多人致力于減小鋰硫電池的穿梭效應以提高循環穩定性。最近，國家納米科學中心唐智勇教授和李連山教授課題組（共同通訊）采用硼酸酯共價有機框架（COF）增強對多硫化鋰的吸附，孔隙中正極化B和負極化O可同時有效吸附和Li⁺。這項工作為新型多孔主體材料的設計和制備開辟新途徑。

文獻鏈接：Efficient Polysulfide Chemisorption in Covalent Organic Frameworks for High-Performance Lithium-Sulfur Batteries (Adv. Energy Mater., 2016, DOI: 10.1002/aenm.201601250 )

8.Adv. Energy Mater. : 鋰空電池正極材料——鉑包覆中空石墨烯納米籠

圖8. Pt包覆中空石墨烯納米籠示意圖

質子惰性系鋰空氣電池一個很大的問題是高充電過電位。為克服這一問題，北京理工大學陳人杰教授和美國阿貢國家實驗室Jun Lu博士等（共同通訊）制備出超細Pt包覆中空石墨烯籠。該正極材料的充電電位在100 mA/g下能低至3.2 V，甚至在500 mA/g下保持低于3.5 V。這種新型正極結構是鋰空氣電池有希望的候選。

文獻鏈接：Platinum-Coated Hollow Graphene Nanocages as Cathode Used in Lithium-Oxygen Batteries ( Adv. Energy Mater., 2016, DOI: 10.1002/adfm.201602246 )

9.Nano Lett. : 核殼結構Li(Ni_xMn_yCo_z)O₂@LiFePO₄改善高電壓循環穩定性

圖9. 核殼結構Li(Ni_xMn_yCo_z)O₂@LiFePO₄表征

由于在高電壓下較差的循環穩定性，層狀過渡金屬氧化物難以被廣泛應用。為解決這一問題，北京大學深圳研究生院潘鋒教授課題組（通訊作者）設計出納米晶LiFePO₄包覆層，得到核殼納米結構Li(Ni_xMn_yCo_z)O₂@LiFePO₄。該正極材料在3.0-4.6 V內長循環測試中表現出高比容量。這一工作促進過渡金屬氧化物應用在電動車上的發展。

文獻鏈接：Aligned Li⁺ Tunnels in Core?Shell Li(Ni_xMn_yCo_z)O₂@LiFePO₄ Enhances Its High Voltage Cycling Stability as Li-ion Battery Cathode ( Nano Lett., 2016, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b02742 )

10.Energ. Environ. Sci. :用于鋰硫電池的中空微/納米結構的設計與工程