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【科海导航】Nature Energy二次电池论文导读:2018年7月刊-2019年2月刊

【科海导航】Nature Energy二次电池论文导读:2018年7月刊-2019年2月刊

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2020/02/12 07:57
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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等。)

本期文章梳理了Nature Energy期刊自2018年7月至2019年2月所有与二次电池相关的论文,共计14篇。

 

Nature Energy二次电池论文导读:2018年3卷7期(2018年7月刊)-2019年4卷2期(2019年2月刊)

 

 

Nature Energy 导读-2019年4卷2期

无扩散格罗特斯拓扑化学在快速充放电和长寿命质子电池中的应用

设计具有可比拟双电层电容器高倍率性能和较长循环寿命的法拉第电池电极材料是一个巨大的挑战。近日,美国加利福尼亚大学P. Alex Greaney教授、阿贡国家实验室Jun Lu教授和俄勒冈州立大学Xiulei Ji教授课题组合作报导了一种利用格罗特斯质子传导的概念来弥补这一性能差距的新策略,其中质子转移是通过协同解理和在氢键网络中形成O-H键来实现。作者在类似水合普鲁士蓝的“特恩布尔蓝”中,发现具有连续氢键网络的大量晶格水分子有利于在氧化还原反应期间的罗特斯拓质子传导。当将其用作电池电极时,表现出4000 C(380 A·g-1,508 mA·cm-2)的高倍率性能以及73万周的长循环寿命。这些结果显示无扩散格罗特斯拓扑化学的质子与在电极内部进行离子扩散的传统电池具有不同的电化学反应机理。这一研究为发展高功率电化学储能器件提供了新的潜在方向。

该论文作者为:Xianyong Wu, Jessica J. Hong, Woochul Shin, Lu Ma, Tongchao Liu, Xuanxuan Bi, Yifei Yuan, Yitong Qi, T. Wesley Surta, Wenxi Huang, Joerg Neuefeind, Tianpin Wu, P. Alex Greaney*, Jun Lu*, Xiulei Ji*.

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标题:Diffusion-free Grotthuss topochemistry for high-rate and long-life proton batteries

期刊信息:Nat. Energy. 4, 123-13 (2019). DOI:10.1038/s41560-018-0309-7

 

Nature Energy 导读-2019年4卷1期

锂离子电池隔膜的表征和性能评价

采用液体电解质和微孔聚烯烃隔膜的锂离子电池(LIB)无处不在。虽然隔膜不是电池中的活性成分,但是它在离子传输中起非常重要的作用,并且对倍率性能、电池寿命和安全性产生一定影响。随着研究人员对隔膜性能以及隔膜与电解质之间的相互作用机理理解的深入,隔膜的性能有望得到改进以便满足新的应用场景对LIB技术提出的更高要求。瑞士联邦理工学院Vanessa Wood教授课题组总结回顾了隔膜结构和化学组成对LIB性能的影响,评估了帮助研究人员理解隔膜结构-性能关系的相关表征技术,并且展望了下一代隔膜技术。该综述表明,研究人员可以通过考虑隔膜与其周围环境的相互作用关系来改善LIB性能。未来隔膜在LIB工作过程中将发挥更加积极的作用。现有以及新兴的表征技术将在指导隔膜技术的发展方面起重要作用。

该论文作者为:

Marie Francine Lagadec, Raphael Zahn, Vanessa Wood*

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标题:Characterization and performance evaluation of lithium-ion battery separators

期刊信息:Nat. Energy. 4, 16-25 (2019). DOI:10.1038/s41560-018-0295-9

 

Nature Energy 导读-2019年4卷1期

可充电铝有机电池

因为铝是地壳中最丰富的元素之一,所以开发可反复充电的铝电池为发展高性价比的二次电池提供了新的机会。然而,开发铝电池的一个根本性的挑战是寻求合适的能插入铝(络合)离子的电极材料。近日,韩国首尔大学Jang Wook Choi教授与美国西北大学J. Fraser Stoddart教授合作报导了一种设计可充电铝电池活性材料的方法。该方法采用具有氧化还原活性的三角形菲醌基大环化合物为前躯体,形成层状结构后,可实现铝离子络合物在该结构中可逆地嵌入和脱出。具有该结构的电极表现出优异的电化学性能:可逆比容量达110mAh·g -1,电池可稳定循环5000周。此外,由大环化合物与石墨复合组成的电极具有更高的比容量、电导率和面负载量。这些发现构成可充电铝电池设计中的重大进展,并为开发价格合理的大规模储能电池提供了良好的起点。

该论文作者为:Dong Jun Kim, Dong-Joo Yoo, Michael T. Otley, Aleksandrs Prokofjevs, Cristian Pezzato, Magdalena Owczarek, Seung Jong Lee, Jang Wook Choi*, J. Fraser Stoddart*.

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标题:Rechargeable aluminium organic batteries

期刊信息:Nat. Energy. 4, 51-59 (2019). DOI:10.1038/s41560-018-0291-0

 

Nature Energy 导读-2018年3卷12期

聚乙烯亚胺海绵的电动效应来稳定金属电池负极

可充电金属电池的循环寿命和能量密度在很大程度上受到其金属负极(锂,钠或锌)枝晶生长的限制。受电场下多孔介质中各种动电现象能够增强物质传递的启发,宾夕法尼亚大学Donghai Wang教授课题组开发了一种具有亲锂特性并且能够促进动电现象的3D交联聚乙烯亚胺多孔海(PPS),将其作为锂金属负极主体,可以缓解锂枝晶形成。来自PPS的Li+强亲和力将Li+浓缩在海绵中(自浓缩特征),导致其局部的Li+浓度高于溶液中的Li+,同时,由于Li+强亲和力引起的界面双电层(EDL)促进了Li沉积/剥离过程中的表面电动传导和电渗透,这种类似电动泵的特征可以加速主体中的Li+传输,从而改善了Li+自聚集动力学,使其能够在高沉积容量和电流密度下实现了低温下的高库仑效率无枝晶Li沉积/剥离。该3D PPS的Li+自动聚集和电动泵特征可以协同地降低浓度极化并打破电流扩散限制,从而调节Li+浓度差。同时,还观察到钠和锌负极的无枝晶形态,这表明该方法具有更广泛的前景。

该论文作者为:Guoxing Li, Zhe Liu, Qingquan Huang, Yue Gao, Michael Regula, Daiwei Wang, Long-Qing Chen, Donghai Wang*.

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标题:Stable metal battery anodes enabled by polyethylenimine sponge hosts by way of electrokinetic effects

期刊信息:Nat. Energy. 3, 1076-1083 (2018). DOI: 10.1038/s41560-018-0276-z

 

Nature Energy 导读-2018年3卷11期

通过镧和铝掺杂使锂离子电池中钴酸锂接近理论比容量

钴酸锂(LiCoO2)具有高达274mAh·g-1的理论比容量。然而,当基于LiCoO2的电极电压超过4.35V时(相对于Li / Li+),容易引起结构不稳定和严重的容量衰减。因此,商业化的LiCoO2能表现出的最大比容量仅为165mAh·g-1。近日,美国阿贡国家实验室Xin Su教授、Yang Ren教授与华为研究院Yangxing Li研究员合作报导了通过镧和铝共掺杂的方法来解决LiCoO2长期循环不稳定的问题,从而使LiCoO2的容量得到提高。该方法将镧和铝同时掺入含钴的前驱体中,然后和碳酸锂一起高温煅烧。作者发现镧和铝同时存在于LiCoO2的晶格中,其中较大直径的镧阳离子作为支柱能有效增加c轴间距,较小直径的铝离子充当正电荷的中心促进Li+的迁移,即使在4.5V的高截止电压下也能稳定LiCoO2的结构并抑制循环过程中的相变。这种掺杂的LiCoO2具有高达190mAh·g-1的比容量,在循环50周后仍有96%的容量保持率,同时倍率性能得到了显著提升。

该论文作者为:Qi Liu, Xin Su*, Dan Lei, Yan Qin, Jianguo Wen, Fangmin Guo, Yimin A. Wu, Yangchun Rong, Ronghui Kou, Xianghui Xiao, Frederic Aguesse, Javier Bareño, Yang Ren*, Wenquan Lu, Yangxing Li*.

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标题:Approaching the capacity limit of lithium cobalt oxide in lithium ion batteries via lanthanum and aluminium doping.

期刊信息:Nat. Energy. 3, 936-943  (2018). DOI: doi.org/10.1038/s41560-018-0180-6

 

Nature Energy 导读-2018年3卷10期

Langmuir-Blodgett人工SEI膜用于实用性锂金属电池

实际应用的锂金属电池需要采用薄的金属锂负极,并且需要金属锂负极在充放电过程中完全可逆。那么如何产生能够调节界面传导并保护金属锂、同时不会明显增加电池质量的固体电解质界面(SEIs)?近日,韩国科学技术研究所储能研究中心的Won Il Cho教授与美国康奈尔大学Lynden A. Archer教授合作报导了使用磷酸盐官能化还原氧化石墨烯的Langmuir-Blodgett人造SEI膜(LBASEI)的物化特性。作者发现LBASEI膜不仅可以稳定Li负极,而且可以通过简单、可量产的工艺轻松组装。LBASEI膜在Li表面上可以形成耐用涂层,该涂层可以有效地调节负极/电解质界面处的电子迁移。基于此,作者将带有人工电解质薄膜的锂片(LBASEI Li)与商业化的NCM正极组装成扣式和软包电池,即使在使用薄Li层(20μm厚)作为负极时,也可以实现大于200周的稳定循环。为了理解这些性能优势的来源,作者结合表面分析和计算分析来表明基于磷酸盐官能化的还原氧化石墨烯的LBASEI可促进Li沉积的成核,从而使Li在电解液和电极界面处均匀迁移,可选择性地渗透电解质中的Li+。

该论文作者为:Mun Sek Kim, Ji-Hyun Ryu, Deepika, Young Rok Lim, In Wook Nah, Kwang-Ryeol Lee, Lynden A. Archer*, Won Il Cho*.

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标题:Langmuir–Blodgett artificial solid-electrolyte interphases for practical lithium metal batteries.

期刊信息:Nat. Energy. 3, 889-898 (2018). DOI: 10.1038/s41560-018-0237-6

 

Nature Energy 导读-2018年3卷10期

采用基于形状记忆合金的被动式界面热调节器对锂离子电池进行有效的热管理

锂离子电池在极端温度下的不良表现阻碍了其在能源领域的广泛应用。电池热管理系统(BTMS)的原理是在冷热环境下会产生相反的需求,即高温下的热传导和低温下的隔热,使用传统的线性热元件对极端冷热条件下的电池进行温度管理是很困难的。近日,加州大学Chris Dames教授课题组报导了一种被动式热调节器,它可以根据温度像BTMS那样调节热传导。在没有任何外部逻辑控制的情况下,与始终导热的BTMS相比,该被动式热调节器在环境温度-20℃时可使电池容量增加3倍。同时,在较高环境温度45℃时,该被动式热调节器将电池的上升温度限制在5℃以内来确保安全。这一研究结果提升了锂离子电池在极端环境中的可用性,并开辟了热功能器件的新应用领域。

该论文作者为:Menglong Hao, Jian Li, Saehong Park, Scott Moura, Chris Dames*.

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标题:Efficient thermal management of Li-ion batteries with a passive interfacial thermal regulator based on a shape memory alloy.

期刊信息:Nat. Energy. 3, 899-906 (2018). DOI: 10.1038/s41560-018-0243-8

 

Nature Energy 导读-2018年3卷9期

可用于电网储能的中温石榴石型固态电解质基的熔融锂电池

电池是一种极具吸引力的电网储能器件,但是目前来说,制造一个用于电网储能的具备高容量、高安全性和低成本的可靠电池系统仍然很难。近日,中国清华大学的Hui Wu教授课题组和美国斯坦福大学的Yi Cui教授课题组合作报导了一种由熔融锂负极、熔融Sn-Pb或Bi-Pb合金正极和石榴石型Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12(LLZTO)固态电解质组成的固态电解质基熔融锂电池。组装的Li||LLZTO||Sn-Pb和Li||LLZTO||Bi-Pb电池可以在240℃、50 mA·cm-2和100mA·cm-2的电流密度下稳定循环一个月,几乎没有容量衰减,平均库仑效率达到了99.98%。此外,Li||LLZTO||Sn-Pb电池在300 mA·cm-2的电流密度下表现出高达90mW·cm-2的功率密度,Li||LLZTO||Bi-Pb在500 mA·cm-2的电流密度下表现高达175 mW·cm-2的功率密度。这种中温电池有望应用于高安全性和低运营维护成本的电网储能中。

该论文作者为:Yang Jin, Kai Liu, Jialiang Lang, Denys Zhuo, Zeya Huang, Chang-an Wang, Hui Wu*, Yi Cui*.

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标题:An intermediate temperature garnet-type solid electrolyte-based molten lithium battery for grid energy storage.

期刊信息:Nat. Energy. 3, 732-738 (2018). DOI: 10.1038/s41560-018-0198-9

 

Nature Energy 导读-2018年3卷9期

在新型醚类电解液中实现高电压下稳定循环的锂金属电池

高电压锂金属电池长期稳定循环的关键是开发对Li负极和高电压正极(对Li/Li+高于4V)都兼容的功能性电解液体系。醚类电解液尽管对Li金属具有优异的抗还原稳定性,但是由于其有限的抗氧化稳定性(<4V)使其在高电压电池中的应用受到了极大的限制。近日,美国太平洋西北国家实验室Ji-Guang Zhang教授课题组和Wu Xu教授课题组合作研发了一种新型的高浓度双盐醚类电解液,该电解液可以在高压LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2正极和Li金属负极上诱导形成稳定的界面层,在充电截止电压为4.3 V的Li||NMC全电池测试中,实现了300周循环后容量保持率大于90%、500周循环后仍有约80%的容量保持率的优异性能。这一研究提供了一种制备高电压锂金属电池用醚类电解液的新方法。

该论文作者为:Shuhong Jiao, Xiaodi Ren, Ruiguo Cao, Mark H. Engelhard, Yuzi Liu, Dehong Hu, Donghai Mei, Jianming Zheng, Wengao Zhao, Qiuyan Li, Ning Liu, Brian D. Adams, Cheng Ma, Jun Liu, Ji-Guang Zhang*, Wu Xu*.

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标题:Stable cycling of high-voltage lithium metal batteries in ether electrolytes.

期刊信息:Nat. Energy. 3, 739-746 (2018). DOI: 10.1038/s41560-018-0199-8

 

Nature Energy 导读-2018年3卷9期

Li-S电池中通过调控电解液网络结构来引发准固态硫转化并抑制锂枝晶形成

由于硫和锂金属电极都具有较高的能量密度,使得锂-硫电池非常有希望替代传统锂离子电池技术。尽管已经证明锂-硫电池有较长的使用寿命,但是要完全发挥锂-硫电池的作用仍然有两个较大的挑战:一个是解决需要较高的电解液/硫的比例问题,另外一个是抑制锂枝晶生长及其与电解液的副反应。加拿大滑铁卢大学Linda F. Nazar教授课题组报导了通过调控电解液结构来同时解决高电解液/硫的比例和锂枝晶问题。通过降低二乙二醇二甲醚体系中的溶剂/盐摩尔比,硫反应途径从溶解-沉淀途径转变为准固态转化,从而减少了对高电解液体积的需求。第一性原理计算揭示了电解液网络结构的本质。采用这种优化结构的电解液,可以实现无枝晶的Li沉积,并且电解液与Li的副反应减少了20倍,从而降低了电解液的消耗并大大延长了低电解液/硫比例的电池的使用寿命。

该论文作者为:Quan Pang, Abhinandan Shyamsunder, Badri Narayanan, Chun Yuen Kwok, Larry A. Curtiss, Linda F. Nazar*.

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标题:Tuning the electrolyte network structure to invoke quasi-solid state sulfur conversion and suppress lithium dendrite formation in Li–S batteries.

期刊信息:Nat. Energy. 3, 783-791 (2018). DOI: 10.1038/s41560-018-0214-0

 

Nature Energy 导读-2018年3卷8期

层状氧化物正极材料在充电过程中的位错成核及其动力学

富锂层状氧化物(LRLO)正极材料具有超高的理论比容量(超出商业正极材料的50%),是下一代锂离子电池正极材料的主要候选材料之一。尽管富锂层状氧化物具有良好的前景,但电压衰减阻碍了其发挥高容量的优势。加州大学圣地亚哥分校O.G. Shpyrko教授和Y. S. Meng教授课题组合作利用三维布拉格相干衍射成像,直接观察LRLO纳米粒子中移动位错网络的成核。与经典的层状氧化物相比,在LRLO中更容易形成位错,表明缺陷与电压衰减之间存在联系。作者在显微镜下展示了部分位错的形成如何导致电压衰减。这些观察能够为设计和证明恢复其原始电压提供有效的方法。研究结果揭示了在LRLO中的电压衰减是可逆的,作者提倡使用新的方法来改进氧化还原活性材料的结构设计。

该论文作者为:A. Singer, M. Zhang, S. Hy, D. Cela, C. Fang, T. A. Wynn, B. Qiu, Y. Xia, Z. Liu, A. Ulvestad, N. Hua, J. Wingert, H. Liu, M. Sprung, A. V. Zozulya, E. Maxey, R. Harder, Y. S. Meng*, O. G. Shpyrko*.

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标题:Nucleation of dislocations and their dynamics in layered oxide cathode materials during battery charging.

期刊信息:Nat. Energy. 3, 641-647 (2018). DOI: 10.1038/s41560-018-0184-2

 

Nature Energy 导读-2018年3卷8期

用于安全锂离子和锂金属电池的高盐溶比不易燃电解液

采用不易燃的电解液可以从根本上提高电池安全性。由于负极表面的强催化活性,电解液与负极材料,尤其是石墨负极的相容性仍然是一个障碍。近日,武汉大学Yuliang Cao教授、武汉理工大学Lifen Xiao教授和美国西北太平洋国家实验室Jun Liu教授等合作报导了一种通过调节Li盐与溶剂的摩尔比来改善不易燃磷酸盐电解液稳定性的方法。研究表明,在高Li盐-溶剂摩尔比(1:2)条件下,溶剂分子主要与Li+阳离子进行配位,有效地抑制了磷酸盐电解液与石墨负极的反应。在商用18650型锂离子电池中,含有添加剂的非燃电解质(1:2 LiFSI-TEP)具有与碳酸盐电解质相当的电化学性能,且安全性能显著提高。在Li-Cu半电池中实现了非枝晶状Li沉积/剥离,库仑效率大于99%,且循环稳定性良好。

该论文作者为:Ziqi Zeng, Vijayakumar Murugesan, Kee Sung Han, Xiaoyu Jiang, Yuliang Cao*, Lifen Xiao*, Xinping Ai, Hanxi Yang, Ji-Guang Zhang, Maria L. Sushko, Jun Liu*.

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标题:Non-flammable electrolytes with high salt-to-solvent ratios for Li-ion and Li-metal batteries

期刊信息:Nat. Energy. 3, 674-681 (2018). DOI: 10.1038/s41560-018-0196-y

 

Nature Energy 导读-2018年3卷8期

富锂锰基正极材料中氧化还原对的演化以及通过减少氧气释放来减缓电压衰减

电压衰减是限制高能量密度富锂锰基(LMR)层状正极材料应用的主要瓶颈。由于LMR材料复杂的结构和化学组成,在电化学过程中发生复杂的电荷补偿并伴随着缓慢的结构变化,对电压衰减的机制一直缺乏准确的认识和确凿的实验证据。中国科学院物理研究所清洁能源实验室Xiqian Yu研究员、美国布鲁克海文国家实验室Huolin Xin研究员和美国阿贡国家实验室Jun Lu教授课题组合作使用原位/非原位同步辐射X射线光谱和三维电子显微成像技术,在充放电循环过程中对经典的LMR材料(Li1.2Ni0.15Co0.1Mn0.55O2)进行原位和非原位研究。通过从表面到整体的探测,以及从单个颗粒到整体的表征,作者发现每种类型的过渡金属阳离子的平均价态持续降低,归因于LMR材料中氧的释放。除了Ni2+/Ni3 +,Ni3+/ Ni4+和O2-/O-这些原始氧化还原电对之外,氧的释放还激活了较低电压的Mn3+/Mn4+和Co2+/Co3+氧化还原电对,直接导致电压衰减。作者还表明了氧的释放会导致微观结构缺陷的形成,例如在颗粒内形成大孔,也会导致电压衰减。通常认为表面包覆和改性是通过减少氧气释放来抑制电压衰减的有效方法。

该论文作者为:Enyuan Hu,Xiqian Yu*,Ruoqian Lin,Xuanxuan Bi,Jun Lu*,Seongmin Bak,Kyung-Wan Nam,Huolin L. Xin*,Cherno Jaye,Daniel A. Fischer,Kahlil Amine,Xiao-Qing Yang.

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标题:Evolution of redox couples in Li- and Mn-rich cathode materials and mitigation of voltage fade by reducing oxygen release

期刊信息:Nat. Energy. 3, 690-698 (2018). DOI: 10.1038/s41560-018-0207-z

 

Nature Energy 导读-2018年3卷7期

调整富镍层状正极的晶界结构和化学性质以提升锂离子电池的循环稳定性

容量和电压衰减是制约富镍层状结构正极材料商业化的关键因素,这源于正极材料颗粒在充放电过程中会发生结构崩塌和晶格相变。一般正极材料颗粒表面改性的方法可以缓解与表面过程相关的降解,但仍然无法从根本上解决这一关键问题。美国西北太平洋国家实验室Jiguang Zhang教授、Chongmin Wang教授与加拿大西安大略大学Xueliang Sun教授课题组合作报导了往正极二次颗粒的晶界中注入固体电解质可以显著提高正极的容量保持率和电压稳定性。作者发现注入晶界的固体电解质不仅可以作为锂离子快速传输通道,更重要的是能防止液体电解质渗入到边界中,从而避免了正极-电解液界面反应、晶粒间裂纹和层状-尖晶石相变的发生。这种晶界设计为制备先进的锂离子电池正极材料提供了新思路。

该论文作者为:Pengfei Yan, Jianming Zheng, Jian Liu, Biqiong Wang, Xiaopeng Cheng, Yuefei Zhang, Xueliang Sun*, Chongmin Wang*, Ji-Guang Zhang*.

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标题:Tailoring grain boundary structures and chemistry of Ni-rich layered cathodes for enhanced cycle stability of lithium-ion batteries.

期刊信息:Nat. Energy. 3, 600-605 (2018). DOI:10.1038/s41560-018-0191-3