电池前沿每周精选丨0729-0804
纳米人 纳米人 2019-08-11

1. Nature Materials: 锂负极固态电介质电池中的临界剥离电流导致沉积过程中的枝晶生长

锂负极的临界剥离电流密度被视为是导致枝晶生长和电池短路的重要原因。当剥离电流密度以超过其可补充速度的速度从界面上剥离锂时,界面处的锂中会形成空隙并在循环过程中积累,从而增加界面处的局部电流密度并最终导致沉积枝晶和电池短路。即使总电流密度大大低于沉积过程中形成树枝晶的阈值,也会发生这种情况。

 

在本文中,英国牛津大学Bruce等发现对于Li/Li6PS5Cl/Li电池来说,在2.0mA/cm2的沉积电流密度和3MPa或7MPa压力下,其临界剥离电流密度为0.2mA/cm2和1.0mA/cm2。这种剥离-压力依赖性表明,蠕变而不是锂扩散是将锂输送到界面的主要机制。临界剥离电流是限制锂负极固态电池功率密度的主要因素。在固态电池中,要达到中等的功率密度,可能需要相当大的压力。

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Jitti Kasemchainan, Peter G. Bruce et al, Critical stripping current leads to dendrite formation on plating in lithium anode solid electrolyte cells, Nature Materials, 2019

https://www.nature.com/articles/s41563-019-0438-9?utm_source=feedburner&utm_medium=feed&utm_campaign=Feed%3A+nmat%2Frss%2Fcurrent+%28Nature+Materials+-+Issue%29

 

2. Nat. Commun.: 高活性纳米结构CoS2/CoS异质结电催化剂助力水溶液多硫化物-碘液流电池

水系多硫化物-碘液流电池由于具有高能量密度、低成本等优势因而成为一种富有吸引力的大规模储能选择。然而,多硫化物与碘离子在石墨电极上迟缓的电化学反应动力学严重限制了该储能体系能量效率和功率密度的提高,这也成为阻碍其实际应用的最大障碍。

 

在本文中,上海交通大学Jiantao ZaiXuefeng Qian 以及犹他州立大学T. Leo Liu等通过简单的一步水热过程在石墨带上原位合成了具有均匀电荷分布的CoS2/CoS异质结纳米颗粒。这种纳米结构能够通过改善带电离子的吸附性质和促进电荷传输来显著提升I-/I3-与S2-/SX2-的电化学活性。采用这种石墨带-CoS2/CoS异质结的多硫化物-碘液流电池在10mA/cm2的电流密度下能量效率高达84.5%,功率密度可达86.2mW/cm2,在近1000小时的持续工作时间内的能量效率保持率稳定在96%。

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Dui Ma, Jiantao Zai, Xuefeng Qian, T. Leo Liu et al, Highly active nanostructured CoS2/CoS heterojunction electrocatalysts for aqueous polysulfide/iodide redox flow batteries, Nature Communications, 2019

https://www.nature.com/articles/s41467-019-11176-y?utm_source=feedburner&utm_medium=feed&utm_campaign=Feed%3A+ncomms%2Frss%2Fcurrent+%28Nature+Communications+-+current%29

 

3. Nature Energy: 锰的氧化作为含锰富锂正极材料异常容量的来源

富锂锰基正极材料相比传统正极材料能够可逆脱嵌更多锂离子因而被视为新一代锂离子电池中最具吸引力的正极材料。尽管晶格氧的可逆氧化被认为是多余异常容量的来源,但是对其电化学反应机理的深入理解仍然十分欠缺。

 

在本文中,加州大学圣巴巴拉分校Maxwell D. RadinAnton Van der Ven等批判性地分析了O2-/O-氧化还原假说,并探索了异常容量的起源的替代解释,包括过氧化物离子或捕获的氧分子的形成和锰的氧化。Li-Mn-O相图主导的第一性原理计算表明富锂锰基正极材料的电化学行为与Mn从+4价到+7价氧化态的改变和其在八面体与四面体之间的迁移在热力学上是一致的。该项研究结果表明,锰氧化假说可以解释富锂锰基材料的电化学行为,包括活化步骤、电压滞后和电压衰减等电化学现象。

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Maxwell D. Radin and Anton Van der Ven et al, Manganese oxidation as the origin of the anomalous capacity of Mn-containing Li-excess cathode materials, Nature Energy, 2019

https://www.nature.com/articles/s41560-019-0439-6?utm_source=feedburner&utm_medium=feed&utm_campaign=Feed%3A+nenergy%2Frss%2Fcurrent+%28Nature+Energy%29

 

4. JACS: 通过MnO2正极催化剂晶面工程调控Li2O2形成路线

在Li-O2电池体系中,电解液中的可溶性Li2O中间体能够调控放电产物Li2O2的形成路线。具有较高Li2O溶解能力的高供体数电解液往往会促进沿着溶液路线的大颗粒Li2O2的形成,从而最终有利于电池容量和循环寿命。

 

在本文中,美国阿贡国家实验室Jun LuCong Liu伊利诺伊州立大学芝加哥分校Vitaliy Yurkiv 以及密歇根理工大学Reza Shahbazian-Yassar等发现正极催化剂的晶面工程可能是调控Li2O2形成路线的另一种方式。在本文中,研究人员将具有(111)或(110)优势晶面的β-MnO2用作Li-O2电池的正极催化剂。(111)占主导的催化剂将Li2O2放电产物沿着溶液路线催化形成大环而(110)晶面占主导的催化剂将其沿着表面路线催化形成薄膜。深入的理论计算研究发现不同的生成路线与Li2O在不同晶面上的吸附能差异有关。该项研究结果表明,正极催化剂的晶面工程可能是一种调整低供体数电解质中Li2O2形成路径的新方法。研究人员认为这一新发现将为高容量、最终具有较长循环寿命的锂氧电池的设计提供更多的选择。

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Wentao Yao, Jun Lu, Cong Liu, Vitaliy Yurkiv, Reza Shahbazian-Yassar et al, Tuning Li2O2 Formation Routes by Facet Engineering of MnO2 Cathode Catalysts, JACS, 2019

Doi: 10.1021/jacs.9b05992

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b05992

 

5. AM:多孔石墨碳多面体中锰氧化物和钴的界面增强OER/ORR用于锌空气电池

合理设计和合成高活性、高稳定性的双功能非贵金属析氧反应(OER)和氧还原反应(ORR) 电催化剂的对高效可充电金属空气电池至关重要。近日,河南师范大学高书燕新加坡南洋理工大学楼雄文团队合作,以双金属有机框架为前驱体,通过简单的水热煅烧工艺,合成了MnO/Co/多孔石墨碳多面体(MnO/Co/PGC)复合材料。

 

原位生成的Co纳米晶体不仅能产生结构明确的具有高导电性的异质界面来克服不良的OER活性,而且还能促进形成稳定的石墨碳。所得到的MnO/Co/PGC对OER和ORR均表现出优异的活性和稳定性,可作为可充电锌空气电池的空气阴极。此外,该材料制备的锌空气电池具有优异的性能,峰值功率密度为172 mW cm−2,比容量为872 mAh g−1,且具有良好的循环稳定性(350次),优于商业混合Pt/C||RuO2催化剂。

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Xue Feng Lu, Shuyan Gao,* Xiong Wen (David) Lou*, et al. Interfacing Manganese Oxide and Cobalt in Porous Graphitic Carbon Polyhedrons Boosts Oxygen Electrocatalysis for Zn–Air Batteries. Adv. Mater. 2019,

DOI: 10.1002/adma.201902339

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201902339

 

6. Angew综述:二次电池中的卤化物材料与化学

作为可再生能源产生与消耗的桥梁,可充电电池被视为最高效的能量储存手段之一。为了满足日益增长的储能需求,可充电电池的发展需要满足高能量密度、低成本、高安全性以及长循环寿命等特征。

 

在本综述中,南京工业大学Xiangyu Zhao等重点概括总结了基于卤化物材料与化学的二次电池的研究进展与技术进步,包括卤化物电极的使用、电极体相或表面的卤素掺杂、能够保证快速离子传导和稳定电极-电解质界面的电解液设计和添加剂以及新型电池化学的设计。文章还涵盖了基于一价阳离子、多价阳离子、阴离子或双离子转移的各种电池化学。本文旨在促进人们对卤化物材料和化学物质的了解,以促进高性能充电电池领域的进一步研究和发展。

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Xiangyu Zhao et al, Halide-based materials and chemistries for rechargeable batteries, Angew. Chem. Int. Ed., 2019

DOI: 10.1002/ange.201902842

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/ange.201902842?af=R

 

7. Angew: 含不对称酰亚胺阴离子的氢氧化钠和氢氧化钾熔盐助力高压水溶液电池

水溶液钠离子电池和钾离子电池能够消除锂离子电池的安全隐患和成本痼疾,但是其广泛应用受到水溶液电解质电化学稳定窗口较窄的限制,因而其能量密度有限。在本文中,日本东京大学京都大学Atsuo Yamada团队首次发现采用具有不对称酰亚胺阴离子的室温氢氧化钠和氢氧化钾熔盐能够改善水溶液钾离子和钠离子电池的电化学性能。

 

这种熔盐是该课题组在2016年发现氢氧化锂熔盐后发现的第二和第三种碱金属氢氧化物熔盐。在这种熔盐体系中,由于水分子参与到Na+和K+水化层中因而能将水溶液的电化学稳定窗口扩宽至2.5-2.7V(在Pt电极中)。研究人员采用氢氧化钠熔盐作为电解质组装的Na3V2(PO4)2F3//NaTi2(PO4)3水溶液钠离子全电池工作电压高达1.75V, 这是目前文献中报道过的最高电压的水溶液钠离子全电池。

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Qifeng Zheng, Atsuo Yamada et al, Sodium‐ and potassium‐hydrate melts containing asymmetric imide anions for high‐voltage aqueous batteries, Angew. Chem. Int. Ed., 2019

DOI: 10.1002/ange.201908830

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/ange.201908830?af=R

 

8. AM综述:以多功能性、可扩展性和技术难点为重点的纤维形状电池概述

随着可穿戴电子产品的日益发展,柔性可穿戴额储能器件正得到越来越多的关注。纤维形状的电池显示出独特的一维结构,具有优越的灵活性、小型化潜力、对变形的适应性和与传统纺织工业的兼容性,特别适合于可穿戴应用。在纤维形状电池研究领域的前沿,除了追求更优异的性能,追求多功能、可扩大化生产也逐渐成为主流。然而,纤维形状的电池发展仍然面临着隔膜的安装与封装困难、电池内阻大、持续稳定性不佳等各种问题。

 

本文综述了纤维形状电池的设计原理(如电极制备和电池组装)和器件性能(如电化学和机械性能),包括锂基电池、锌基电池和其他一些具有代表性的系统。文章专注于具有环境适应性、刺激响应特性和可扩展性高达能源纺织品的多功能设备,以期对未来的研究方向有所启发。最后,作者还讨论了这些电池在实际可穿戴应用中的技术挑战,旨在为进一步改进提供可能的解决方案和新见解。

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Funian Mo, Chunyi Zhi et al, An Overview of Fiber‐Shaped Batteries with a Focus on Multifunctionality, Scalability, and Technical Difficulties, Advanced Materials, 2019

DOI: 10.1002/adma.201902151

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201902151

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