【电池前沿】| 余彦、麦立强、汪国秀、刘健&吴忠帅、张山青、周震、黄云辉、潘锋等最新成果速览

  1. 中国科学技术大学余彦教授Adv. Funct. Mater.: 混合锂离子导体Li2S/Li2Se保护层用于稳定锂金属负极

    为了满足与日俱增高能量密度能源存储系统的要求,开发具有高能量密度的二次电池非常关键,但目前最先进商业化电池的能量密度仍然不足。锂金属负极具有高理论比容量(3860 mAh g−1)、低还原电位(−3.04 V vs 标准氢电极)等优点,被公认为是下一代高能密度锂金属电池最有希望的负极材料。然而,由于锂在电池循环中的沉积不均匀、体积膨胀无限大、锂枝晶生长迅速等问题,使得锂金属电池的实际应用受到严重阻碍,导致电池较差的循环性和安全性。

    近年来,Li2S保护层由于具有高离子电导率(≈10−5 S cm−1),因而被证明是可抑制Li枝晶生长的稳定SEI层。与Li2S相比,Li2Se具有相似的化学性质和更高的锂离子迁移能力,而且高电导率的Li2Se可以提供较高的力学阻力,使锂离子快速均匀地传输到整个电极表面,从而防止锂枝晶生长。可以预期,如果将Li2S和Li2Se的优点结合起来,则可以形成高离子电导率的人造SEI。因此,中国科学技术大学余彦教授课题组通过简单的低温气/固反应(SeS2/Li),成功设计出一种混合锂离子导体Li2S/Li2Se (LSSe)保护层。密度泛函理论(DFT)计算结果表明,在各种晶面上,锂离子在Li2Se上的迁移势垒均低于Li2S,说明Li2Se的引入有利于人造SEI中的锂离子迁移。所开发出的人造Li2S/Li2Se SEI可以使锂金属对称电池在不同电流密度下具有更长的循环寿命和更稳定的循环性能。将Li2S/Li2Se保护的锂金属(LSSe@Li)负极与LiFePO4正极组装成全电池时,LSSe@Li–LiFePO4 (LFP)电池比纯锂负极基电池表现出更优异的循环性能和更稳定的库伦效率,即便在160 mA g−1电流密度下(对应于1 C)循环450圈,容量保留率仍高达91.5%。此外,当与硫正极相结合时,LSSe@Li负极在100圈循环中表现出比纯Li金属负极更稳定的循环曲线,这表明LSSe人造SEI还可减轻金属锂对多硫化物的还原作用,从而提高Li-S电池的性能。【电池前沿】| 余彦、麦立强、汪国秀、刘健&吴忠帅、张山青、周震、黄云辉、潘锋等最新成果速览 Fanfan Liu, Lifeng Wang, Zhiwen Zhang, Pengcheng Shi, Yuezhan Feng, Yu Yao, Shufen Ye, Haiyun Wang, Xiaojun Wu, and Yan Yu. A Mixed Lithium‐Ion Conductive Li2S/Li2Se Protection Layer for Stable Lithium Metal Anode. Adv. Funct. Mater. 2020. DOI: 10.1002/adfm.202001607.

文章链接:https://doi.org/10.1002/adfm.202001607

  1. 武汉理工大学麦立强教授Energy Storage Mater.: 锂钒氧化物正极中可逆V3+/V5+双氧化还原用于储锌

    由于环境污染和能源消耗的不断加剧,可再生能源已成为全球关注的焦点,极大地促进了大规模储能系统的发展。在各种能量存储系统中,锂离子电池(LIBs)因其高能量密度而在市场上占据主导地位数十年。然而,LIBs的大规模应用受到不断增加的成本和潜在的安全隐患所限。作为锂电的替代储能系统,基于低成本和储量丰富的Mg、Al、Zn负极电池受到越来越多的关注。与镁离子电池(MIBs)和铝离子电池(AIBs)相比,锌离子电池(ZIBs)具有许多独特的优势,其可以使用高离子电导率、高安全性和低成本的水系电解质。然而,由于正极溶解和H2/O2析出副反应,水系锌电池体系在正极材料方面面临着容量有限、工作电压低、循环寿命低等严峻挑战。

    在本文中,武汉理工大学麦立强教授联合华中农业大学罗艳珠教授等课题组成功证明在LiV3O8正极中,Zn2+以一种新型可逆的V3+/V5+双氧化还原机制逐步插入。LiV3O8正极中的六电子转移仅仅只带来7.64%的体积膨胀率,产生的最高容量为557.5 mA h g1,并且在4000次循环后仍具有85%的容量保留率。这种V3+/V5+双氧化还原新机制将为高性能锌离子电池富钒正极的设计与开发开辟新的机遇。

【电池前沿】| 余彦、麦立强、汪国秀、刘健&吴忠帅、张山青、周震、黄云辉、潘锋等最新成果速览Pan He, Mengyu Yan, Xiaobin Liao, Yanzhu Luo, Liqiang Mai, Ce-Wen Nan. Reversible V3+/V5+ double redox in lithium vanadium oxide cathode for zinc storage. Energy Storage Mater. 2020. DOI: 10.1016/j.ensm.2020.04.005.

文章链接:https://doi.org/10.1016/j.ensm.2020.04.005

  1. 悉尼科技大学汪国秀教授Adv. Energy Mater.: 高效镁基可充电电池研究进展

    自工业革命以来,由于化石燃料的大量燃烧与使用,造成与日严重的环境问题,包括空气质量变差和全球变暖等气候威胁,因此发展低成本、电网规模的可再生能源储能系统对于社会的可持续发展必不可少。目前开发出的大多数可再生能源,如风能、太阳能和潮汐能都是间歇性的,其性能完全取决于发电的天气条件。与之相比,锂离子电池(LIB)是一种最先进的储能装置,可为电动汽车和便携式电子设备进行持续供电。然而,目前的LIBs仍然不能满足日益增长的高能量密度和安全性要求。此外,它们的大规模开发仍然受到地壳中锂资源分布不均和有限(0.0022 wt%)的阻碍,因此开发新型的电池系统至关重要。

    原则上,多价态离子电池可以提供比单价态锂离子电池更高的能量密度。与锂离子电池相比,可充电镁基电池(RMBs)不仅具有丰富的地壳资源、较小的离子半径(0.72 Å)和较高的理论体积容量(3833 mAh cm−3),而且由于金属镁负极在循环过程中不会产生枝晶,因此RMBs本质上比LIBs更加安全。此外,镁还具有比锂更高的氧化稳定性。在本文中,悉尼科技大学汪国秀教授课题组综述了近年来发展起来的镁离子二次电池正极材料,并讨论了除金属镁以外的负极材料。此外,作者还探索阐述了一些其它的镁基储能技术,包括镁空气电池、镁硫电池和镁碘电池等。因此,该综述可以为高能量密度镁基可充电电池的发展提供有力的基础知识和高价值的一些设计策略。

【电池前沿】| 余彦、麦立强、汪国秀、刘健&吴忠帅、张山青、周震、黄云辉、潘锋等最新成果速览Ziqi Guo, Shuoqing Zhao, Tiexin Li, Dawei Su, Shaojun Guo, and Guoxiu Wang. Recent Advances in Rechargeable Magnesium‐Based Batteries for High‐Efficiency Energy Storage. Adv. Energy Mater. 2020. DOI: 10.1002/aenm.201903591.

文章链接:https://doi.org/10.1002/aenm.201903591

  1. 中科院大连化物所刘健&吴忠帅研究员Adv. Energy Mater.: 磁黄铁矿电催化剂修饰多级多孔碳球用于锂硫电池纳米反应器

    锂硫电池(LSBs)是新一代的可充电电池,其理论比能量密度高达2600 Wh kg−1,因此被公认为是一种实用的高能量密度存储装置。在LSBs中,正极材料主要是硫,其资源丰富,成本低且环境友好,理论容量高达1675 mAh g−1。然而,硫基正极的使用需要克服一些具有相当大挑战性的问题:1) 硫的低导电性;2) 多硫化锂(LiPs)的溶解和穿梭效应;3) 硫正极充放电循环期间的大体积变化。以上这些因素皆导致电池系统的低效率、低循环稳定性、自放电现象以及电极材料的最终衰减,这些都限制了LSBs潜在的商业化。目前,以限制LiPs溶解现象及穿梭效应的研究最多,难度也最大。

    在本文中,中科院大连化物所刘健&吴忠帅研究员等课题组采用常用于制备均匀分散间苯二酚甲醛(RF)树脂的Stóber方法,并对其加以改进,开发出一种简单的一步络合改性Stóber(CMS)策略,在N掺杂多孔碳球中合成出Fe1-xS电催化剂(Fe1−xS‐NC),并将其作为低质量密度、高孔隙率的纳米反应器,该反应器中具有低Fe含量(0.96 wt%)且高度分散的Fe1-xS纳米颗粒。本文首次设计并选择间苯二酚硫化物作为前驱体,成功从分子级层面合成出骨架中S均匀分布的催化剂。该设计具有如下优势:1) 金属在聚合物中均匀分布;2) 有效防止金属氢氧化物在聚合反应中加入氨时的沉淀;3) 通过化学络合使铁与硫紧密接触,可以促进碳化时嵌入碳球内Fe1-xS纳米颗粒的均匀分散。在高温碳化过程中,该络合物可以原位生成丰富的介孔,形成低密度、高孔隙率的碳球。因此所合成出的Fe1-xS-NC是一种高效的纳米反应器,不仅在导电和多孔碳载体中具有高硫含量,而且还具有可用于LiPs吸附和氧化还原反应的Fe1-xS纳米电催化剂。通过第一性原理计算,预测了Fe1-xS纳米粒子在Fe1-xS-NC中优异的LiPs吸附性能,并对其进行了实验验证。作者对Fe1-xS纳米粒子在Fe1-xS-NC中的电催化性能进行了全面的测试,结果表明Fe1-xS-NC作为LSBs的正极主体时具有优异的性能,其初始容量为1070 mAh g−1,即便在0.5 C倍率下经过200次循环,依然没有容量衰减。

【电池前沿】| 余彦、麦立强、汪国秀、刘健&吴忠帅、张山青、周震、黄云辉、潘锋等最新成果速览Yash Boyjoo, Haodong Shi, Emilia Olsson, Qiong Cai, Zhong-Shuai Wu, Jian Liu, and Gao Qing (Max) Lu. Molecular‐Level Design of Pyrrhotite Electrocatalyst Decorated Hierarchical Porous Carbon Spheres as Nanoreactors for Lithium–Sulfur Batteries. Adv. Energy Mater. 2020. DOI: 10.1002/aenm.202000651.

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  1. 格里菲斯大学张山青教授Adv. Energy Mater.: 无缝界面Ca–CeO2/LiTFSI/PEO复合电解质用于高倍率高压全固态电池

    锂离子电池(LIBs)因其具有高能量密度、高功率密度和市场占有率,成为现代社会最具发展前景的储能设备之一。不幸的是,传统LIBs中的液态电解质中含有有机溶剂,这些溶剂通常是易燃、具有腐蚀性且受热不稳定的,因此极可能会引起火灾和爆炸等危险。全固态电池(ASSBs)采用柔性固态电解质(SSEs),通过消除易燃的有机液态电解质,可以有效地缓解上述这些安全问题,提高能量密度,并且进一步地有效抑制LIBs中由Li枝晶触发的短路问题。此外,灵活的ASSBs可以弯曲,冲孔,甚至钻孔都不会引发安全问题。通常,理想的聚合物SSEs应满足一些特定的要求,如高离子电导率(与液态电解质相当)、高锂离子迁移数、低界面电阻、优异的热稳定性及电化学稳定性、足够的力学强度等。然而,目前开发出最先进的聚合物SSEs仍然不能满足上述要求。

    在本文中,格里菲斯大学张山青教授联合中科院青岛生物能源所崔光磊研究员等课题组通过静电纺丝和随后的高温处理策略,在不同的掺杂水平下处理Ca–CeO2纳米管以获得最佳的离子电导率。结果表明,在60℃下,Ca–CeO2/双三氟甲烷磺酰亚胺锂(LiTFSI)/PEO电解质的离子电导率和迁移数分别可达1.3 × 10−4 S cm−1和0.453。通过各种电化学、化学和力学特性以及模拟计算,作者系统研究了电池性能改善的机理,特别是Ca-CeO2与LiTFSI之间的相互作用。在与LiFePO4正极和锂负极组装出电池后,得到的ASSBs在0.1 C时可提供164 mAh g-1的初始放电容量,即便于60°C时2 C的高电流密度下,电池也具有100 mAh g-1的初始放电容量,并具有2.5–4.1 V的宽电压窗口。更令人印象深刻的是,在1C电流密度下循环200次后,ASSBs的放电容量仍旧保持在93 mAh g−1【电池前沿】| 余彦、麦立强、汪国秀、刘健&吴忠帅、张山青、周震、黄云辉、潘锋等最新成果速览Hao Chen, David Adekoya, Luke Hencz, Jun Ma, Su Chen, Cheng Yan, Huijun Zhao, Guanglei Cui, and Shanqing Zhang. Stable Seamless Interfaces and Rapid Ionic Conductivity of Ca–CeO2/LiTFSI/PEO Composite Electrolyte for High‐Rate and High‐Voltage All‐Solid‐State Battery. Adv. Energy Mater. 2020. DOI: 10.1002/aenm.202000049.

文章链接:https://doi.org/10.1002/aenm.202000049

  1. 南开大学周震教授Chem. Soc. Rev.: 面向实用化的锂金属负极

    能源是人类生存和发展的重要基石,可以说人类一旦掌握了能源存储技术,人类文明就能够迅速地向前发展。电池作为一种重要的储能方式,几乎存在于社会运营的各个环节中。随着人们对更先进便携式电子设备的需求不断增长,它们在今天变得越来越重要。目前,全球电池市场价值已超过1000亿美元,到2027年将达到1354.3亿美元。迄今为止,已经商业化的可充电电池系统包括铅酸电池、氧化还原液流电池、镍镉电池、镍氢电池和锂离子电池(LIBs),其中LIBs给现代社会带来了革命性的变化,特别是在通信和交通方式方面,智能手机和电动汽车分别是这方面的典范。最好的证明是2019年诺贝尔化学奖授予三位科学家,他们是发明和商业化LIBs的先驱。在过去的三十年里,LIBs一直占据着市场主导地位。然而,与它们在全球市场上令人印象深刻的增长相比,其实际能源密度的增长却相形见绌。由于锂离子化学固有的局限性,从长远来看,锂离子电池似乎不太可能满足能量密度倍增的需要。因此,迫切需要发展除锂离子电池以外的电池化学。

    由于锂金属具有最高的理论容量(3860 mA h g−1)和最低的电化学电位(−3.04 V vs. 标准氢电极),因此被公认为是未来用作电池负极的理想选择。因此配置有锂负极的电池理论上具有更高的能量密度。尽管这种锂金属负极电池具有相当大的优点,但在实际应用中,它们面临着与锂金属负极相关的几个具有非常大挑战性的问题,主要以锂枝晶无序生长带来的安全性问题为主。尽管针对锂金属负极已有了多篇综述,但这些综述并没有包括锂金属电池所涉及的所有问题(Li–S, Li–O2, 氧化还原液流和全固态电池)。此外,这一领域的发展极为迅速。因此,总结锂金属基电池所有的这些问题和最新进展,并通过全面考虑这些问题以提供更多的见解是非常有必要的。在本综述中,南开大学周震教授联合天津大学杨永安教授等课题组首先介绍了锂金属负极存在的问题及原因,然后重点介绍了实现高性能锂负极的代表性和有效策略。最后,作者对制备实用锂金属负极的挑战和未来的研究机会进行了展望。【电池前沿】| 余彦、麦立强、汪国秀、刘健&吴忠帅、张山青、周震、黄云辉、潘锋等最新成果速览Xin Zhang, Yongan Yang and Zhen Zhou. Towards practical lithium-metal anodes. Chem. Soc. Rev. 2020. DOI: 10.1039/C9CS00838A.

文章链接:https://doi.org/10.1039/C9CS00838A

  1. 华中科技大学黄云辉教授Joule: 搅拌自分层电池用于大规模储能

    由于太阳能、风能等可再生能源具有随机性、间歇性和不可控性,因此开发具有长循环寿命、低成本的电池系统是很有必要的,它可以在没有阳光和风的时候储存我们所需要的能量。然而,目前的储能电池内部结构复杂,且需要昂贵的生产线来制造。在本文中,华中科技大学黄云辉教授、沈越教授课题组为了降低电池制造成本,首次提出了一种最小化设计的搅拌电池,该电池具有由重力驱动的自分层结构,其底部为锌负极,中间层为水系电解质,有机正极液位于顶层。由于溶解度的差异,正氧化还原物种被严格限制在上层的有机正极液中。因此,即使在搅拌电池实现高倍率充放电时,也可以消除自放电的影响。此外,该电池设计本质上也避免了其它类型电池所遭受与膜渗透有关的电极劣化和故障问题。因此,作者所设计出的搅拌型电池具有良好的循环稳定性和优异的长期储能前景。

【电池前沿】| 余彦、麦立强、汪国秀、刘健&吴忠帅、张山青、周震、黄云辉、潘锋等最新成果速览Jintao Meng, Qi Tang, Liangyi Zhou, Chang Zhao, Ming Chen, Yiding Shen, Jun Zhou, Guang Feng, Yue Shen, Yunhui Huang. A Stirred Self-Stratified Battery for Large-Scale Energy Storage. Joule 2020. DOI: 10.1016/j.joule.2020.03.011.

文章链接:https://doi.org/10.1016/j.joule.2020.03.011

  1. 北京大学深圳研究院潘锋教授Small Methods: 阴离子MOF基双功能隔膜用于锂硫电池

    锂硫电池(Li–S)具有高达2600 Wh kg-1的理论能量密度,约为当前商业锂离子电池(LIBs)的10倍,因此被认为是最有前景的下一代电池系统之一。此外,硫还具有低毒性、良好的环境相容性、高天然丰度、低价格等优势。然而,由于锂金属负极和硫正极存在的一些固有问题严重限制了锂硫电池的安全性和电化学性能,因此要使锂硫电池在实际应用中得到广泛应用,还有很长的一段路要走。具体地说,由于锂沉积的不均匀性,往往在电池循环过程中形成锂枝晶,这些枝晶在后续充放电过程中将被粉碎和钝化,最终变成“死”锂。这一过程大大增加了电解液消耗,降低了锂负极的库仑效率(CE)和可逆性。更严重的是,尖锐的枝晶也会刺透隔膜,导致电池短路和热失控。除了锂负极外,正极反应生成的可溶性长链多硫化物(PSs)也是困扰锂硫电池性能的另一个问题。PSs阴离子在正负极之间来回穿梭,不仅会导致电池容量持续下降、自放电和低CE,还会毒害锂负极。为了解决上述问题,开发功能性隔膜可以有效地同时解决硫正极和锂金属负极的基本问题,是锂硫电池接近实际应用的一条有前景的途径。

    在本文中,北京大学深圳研究院潘锋教授联合香港理工大学费宾教授等课题组通过混合基质膜(MMM)策略,采用UiO-66-SO3Li和聚偏氟乙烯(PVDF)成功制备出一种柔性自支撑MOF基隔膜。该MOF基隔膜的厚度与商用聚丙烯(PP)隔膜相当,其作为锂硫电池隔膜时具有优异的长期稳定性。通过丰富的磺酸盐(-SO3)阴离子基团修饰,可以在在混合基质膜隔膜(称为MMMS)上形成具有明确定义的通道,该通道可以有效地调节Li+的通量,并在高电流密度下稳定长期的Li电镀/剥离过程。同时,由于较窄孔径和与PSs的静电排斥作用,MMMS还可以抑制PSs的穿梭效应。因此,与使用常规隔膜的锂硫电池相比,使用MMMS的锂硫电池循环性能得到显著提高。【电池前沿】| 余彦、麦立强、汪国秀、刘健&吴忠帅、张山青、周震、黄云辉、潘锋等最新成果速览Ziqi Wang, Weiyuan Huang, Jiachuan Hua, Yidi Wang, Haocong Yi, Wenguang Zhao, Qinghe Zhao, Hao Jia, Bin Fei, and Feng Pan. An Anionic‐MOF‐Based Bifunctional Separator for Regulating Lithium Deposition and Suppressing Polysulfides Shuttle in Li–S Batteries. Small Methods 2020. DOI: 10.1002/smtd.202000082.

文章链接:https://doi.org/10.1002/smtd.202000082

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