版权所有©天目湖先进储能技术研究院 2019                                                                                                                                  网站建设:中企动力 常州  备案号:苏ICP备14056531号-1号

新闻中心

【科海导航】Nature Materials导读:2018年6月刊-2019年4月刊

【科海导航】Nature Materials导读:2018年6月刊-2019年4月刊

分类:
新闻中心
作者:
来源:
发布时间:
2020/02/11 19:31
浏览量

序言

 

天目湖先进储能技术研究院公众号科海导航板块旨在为所有从事二次电池研究的人员提供本领域最前沿、最热点、最经典的研究资讯。

我们将聚焦目前二次电池研究领域高水平期刊论文进行中文导读。由于水平有限,不免出现不精准乃至谬误之处,如若发现不当之处,烦请各位专家学者留言指正。留言经编辑确认后,会显示在导读下方,供其他读者参考。

(导读期刊包括但不限于Science, Nature, Nature Energy, Nature Material, Nature Chemistry, Nature Communication, Journal of the American Chemical Society,Energy & Environmental Science, Joule, Advanced Material , ACS Energy Letters等。)

 

本期文章梳理了Nature Materials期刊自2018年6月至2019年4月所有与二次电池相关的论文,共计6篇。

 

Nature Materials导读:2018年17卷6期(2018年6月刊)-2019年18卷4期(2019年4月刊)

 

Nature Materials 导读-2019年18卷4期

聚合物-无机复合固态电解质界面相在贫电解质条件下稳定锂金属电池

 

固态电解质界面(SEI)对于稳定以锂金属为负极的可充电电池至关重要。然而,SEI膜会在电池工作过程中持续地破坏和重塑,不断地消耗金属锂和电解液。另外,SEI膜的结构逐渐变得不均匀,进而导致不均匀的Li沉积和Li枝晶生长。因此,如何设计稳定的SEI膜结构成了该领域的研究热点。近日,美国宾夕法尼亚州立大学Donghai Wang教授课题组报导了使用活性聚合物复合材料设计分子级别的SEI膜,该设计方法能有效稳定SEI的形成和抑制电解质的消耗。该SEI层由聚合物锂盐、氟化锂纳米粒子和氧化石墨烯片组成,并利用低温透射电子显微镜、原子力显微镜和表面敏感光谱加以证明。研究发现这种膜结构不同于传统电解质衍生的SEI膜,其具有优异的钝化性能、均匀性和机械强度。在使用该聚合物-无机复合SEI膜后, Li|LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2(4 V)电池能在贫电解质、有限的Li过量和高容量条件下实现高效的Li沉积并能稳定循环。该方法同时适用于设计钠和锌负极的SEI膜。

该论文作者为:Yue Gao, Zhifei Yan, Jennifer L. Gray, Xin He, Daiwei Wang, Tianhang Chen, Qingquan Huang, Yuguang C. Li, Haiying Wang, Seong H. Kim, Thomas E. Mallouk,Donghai Wang*.

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面)

标题:Polymer–inorganic solid–electrolyte interphase for stable lithium metal batteries under lean electrolyte conditions.

期刊信息:Nat. Mater. 18, 384-389 (2019). DOI: 10.1038/s41563-019-0305-8

 

Nature Materials 导读-2019年18卷3期

通过去除金属-氧键来稳定富锂氧化物中阴离子的氧化还原反应

 

许多电化学技术如电催化、锂离子电池等在工作过程中,都会发生高压可逆的氧化还原反应。氧-阴离子氧化还原反应引起广泛的研究兴趣,锂离子电池的各种氧化物材料能够在4V(vs Li/Li+)以上电压提供较高的氧化还原容量(表现优异的氧化还原能力),但是氧的氧化普遍与不可逆的局部结构变化、电压滞后和电压衰减有关,这些缺点限制了氧化物材料的广泛应用。近日,美国加州大学Gerbrand Ceder教授、美国SLAC国家加速器实验室Michael F. Toney教授和William C. Chueh教授合作对Li2−xIr1−ySnyO3模型系统展开综合研究,发现了富锂氧化物同时发生局部结构无序和阴离子氧化还原的本征原因。Li2−xIr1−ySnyO3 通过配体-金属键进行电荷转移,在氧的氧化还原过程中约1.8埃金属-氧π键和约1.4埃氧-氧二聚体的局部稳定导致这种结构-氧化还原耦合。最重要的是,这些氧化氧的形成需要通过在相邻的阳离子位点形成空位,而使氧解调到单个共价键上,驱动阳离子紊乱,最终造成局部无序。这些发现解释了为什么在循环过程中,阴离子氧化还原通常与局部结构无序和电压滞后一起发生。该研究成果解释了富锂层状氧化物独特的电化学性质,对设计氧变价电极材料具有普适性。

该论文作者为:Jihyun Hong, William E. Gent, Penghao Xiao, Kipil Lim, Dong-Hwa Seo, Jinpeng Wu, Peter M. Csernica, Christopher J. Takacs, Dennis Nordlund, Cheng-Jun Sun, Kevin H. Stone, Donata Passarello, Wanli Yang, David Prendergast, Gerbrand Ceder*, Michael F. Toney*, William C. Chueh*.

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面)

标题:Metal–oxygen decoordination stabilizes anion redox in Li-rich oxides.

期刊信息:Nat. Mater. 18, 256-265 (2019). DOI: 10.1038/s41563-018-0276-1

 

Nature Materials 导读-2019年18卷2期

揭示可控氧化黑磷纳米片的分子级表面氧化还原位点

 

块状黑磷和二维黑磷理论容量高达2600 mAh·g-1,被认为是目前非常有前景的电池电极材料。然而,黑磷的本征(去)合金化限制了其倍率性能和循环性能。近日,韩国新京湾大学Ho Seok Park教授课题组报导了氧化黑磷纳米片在P位点上一种独特的分子级别表面氧化还原机理,其能通过强层间键合与石墨烯连接。氧化黑磷的氧化还原活性位点被限制在无定型异质界面上,因此它能表现出真正可逆的赝电容特性(在2000 mV·s-1的扫速下,达到99%的库伦效率)。此外,氧化黑磷基电极表现出478 F·g-1的容量(较黑磷高4倍),72%的倍率性能(黑磷为21.2%)和50000周后91%的容量保持率。研究人员利用原位光谱电化学和理论分析揭示了表面暴露的P位点电子结构和化学环境的可逆变化。

该论文作者为:Puritut Nakhanivej, Xu Yu, Sul Ki Park, Soo Kim, Jin-Yong Hong, Hae Jin Kim, Wonki Lee, Jun Yeon Hwang, Ji Eun Yang, Chris Wolverton, Jing Kong, Manish Chhowalla, Ho Seok Park*.

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面)

标题:Revealing molecular-level surface redox sites of controllably oxidized black phosphorus nanosheets.

期刊信息:Nat. Mater. 18, 156-162 (2019). DOI: 10.1038/s41563-018-0230-2

 

Nature Materials 导读-2019年18卷1期

实时观测具有氧化还原活性有机自由基聚合物的掺杂机理

 

有机自由基聚合物是目前电池中充电最快的氧化还原活性材料之一。为了保持电中性,电子传输和电荷存储一定会伴随离子传输和掺杂,但是有机自由基聚合物这一过程的本质尚不清楚。这很难直观预测,因为侧链基团将有机自由基聚合物与共轭、带电和极性聚合物区分开来。近日,美国德州德克萨斯A&M大学Jodie L. Lutkenhaus教授团队首次从定量的角度展示了在氧化还原过程中的原位离子传输和有机自由基聚合物掺杂过程。掺杂过程通常有两种模式,一种是通过锂离子排斥掺杂,另一种是通过阴离子吸引掺杂。哪种模式占主导地位由阴离子种类、电解液浓度和反应时间来决定。这一研究成果适用于电解质与非共轭氧化还原活性聚合物接触的任何条件,是一种能够量化掺杂效应的方法。

该论文作者为:Shaoyang Wang, Fei Li, Alexandra D. Easley, Jodie L. Lutkenhaus*.

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面)

标题:Real-time insight into the doping mechanism of redox-active organic radical polymers.

期刊信息:Nat. Mater. 18, 69-75 (2019). DOI: 10.1038/s41563-018-0215-1

 

Nature Materials 导读-2019年17卷10期

利用流体增强表面扩散来控制粒子内相转变

 

受材料成分变化驱动的相变通常要求质量通量穿过相界。然而,在一些各向异性的固体中,相界沿非导电晶相滑移。其中一种典型的材料就是商业锂离子电池电极LixFePO4材料。在LixFePO4材料中,由于沿相分离方向的很难有大规模离子传输,目前仍不清楚Li+在相变过程中如何迁移。近日,英国巴斯大学M. Saiful Islam教授,美国麻省理工学院Martin Z. Bazant教授和美国SLAC国家加速器实验室William C. Chueh教授合作报道了Li+沿着固液界面迁移,而且电荷载流子不会穿过双电层。利用X射线衍射、显微镜以及第一性原理分子动力学模拟加以分析,表明有机溶剂分子和水分子促进了这种表面离子扩散,有效地促使LixFePO4成为三维锂离子导体。同时通过相场模拟得知了表面离子扩散对相变的影响。降低表面扩散系数对抑制相分离有至关重要的作用。这一研究成果表明流体增强表面扩散是调节各向异性固体相转变的关键手段,为实际应用提供了强有力的指导。

该论文作者为:Yiyang Li, Hungru Chen, Kipil Lim, Haitao D. Deng, Jongwoo Lim, Dimitrios Fraggedakis, Peter M. Attia, Sang Chul Lee, Norman Jin, Jože Moškon, Zixuan Guan, William E. Gent, Jihyun Hong, Young-Sang Yu, Miran Gaberšček, M. Saiful Islam*, Martin Z. Bazant*, William C. Chueh*.

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面)

标题:Fluid-enhanced surface diffusion controls intraparticle phase transformations.

期刊信息:Nat. Mater. 17, 915-922 (2018). DOI: 10.1038/s41563-018-0168-4

 

Nature Materials 导读-2019年17卷6期

水系电池中高度可逆的锌金属负极

 

金属锌(Zn)因为其较高的理论容量(820 mAh·g-1)、较低的电位(相对于标准氢电极为-0.762 V)、资源丰富、低毒性和安全性被认为是水系电池的理想负极材料。然而,锌负极在碱性电解液中始终存在库伦效率低、枝晶生长和水持续消耗等问题,导致其作为电极时的可逆性较差。近日,美国陆军实验室Kang Xu教授和美国马里兰大学Chunsheng Wang教授合作报导了一种基于高浓度锌盐和锂盐的水系电解液体系,有效地解决了上述问题。这一独特的电解液不仅保证锌负极能在接近100%库伦效率时实现无枝晶锌的沉积/溶解,而且能在开放环境中保持电解液中水分含量,使得密封的电池构造多了一种选择性。锌电池的设计也因为这些优点变得更加灵活。当这种电解液体系用于LiMn2O4正极电池时,能量密度为180 Wh·kg-1,循环4000周后容量保持率为80%;当应用于氧气正极电池时,能量密度为300 Wh·kg-1,循环次数大于200次。

该论文作者为:Fei Wang, Oleg Borodin, Tao Gao, Xiulin Fan, Wei Sun, Fudong Han, Antonio Faraone, Joseph A Dura, Kang Xu*, Chunsheng Wang*.

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面)

 

标题:Highly reversible zinc metal anode for aqueous batteries.

期刊信息:Nat. Mater. 17, 543-549 (2018). DOI: 10.1038/s41563-018-0063-z