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【科海导航】Energy & Environmental Science导读:2019年12卷5期 - 2019年12卷7期

【科海导航】Energy & Environmental Science导读:2019年12卷5期 - 2019年12卷7期

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2020/02/12 08:27
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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Energy & Environmental Science期刊自2019年5月至2019年7月与二次电池相关的论文,共计7篇。

 

Energy & Environmental Science导读:2019年12卷5期(2019年5月刊)-2019年12卷7期(2019年7月刊)

 

Energ. Environ. Sci.导读-2019年12卷7期.

膨胀型水合钒酸盐在高性能水系锌离子电池中的应用

水系锌离子电池具有高安全性、快速充放电、长循环稳定性、低成本以及与锂离子电池相当的能量密度等优势。然而,目前水系锌离子电池正极材料仍然面临着缺乏高容量、高放电电压、低自放电和循环稳定性的巨大挑战。水合钒酸盐由于其高达400 mAh g-1的比容量,是水系锌离子电池中有前景的层状正极材料;但是由于水合钒酸盐结构的不稳定性,在经过反复的嵌入/脱嵌反应后会导致电池循环性能的严重衰减。近日,华盛顿大学的曹国忠教授与杨继辉教授合作报导了通过化学法将二价过渡金属锰离子预先插入到水合钒酸盐中充当结构柱,扩展晶面间距,连接相邻层并部分地将五价钒阳离子还原为四价。晶面间距扩大到了12.9埃,减少了静电相互作用,过渡金属阳离子可以在较高的放电电流密度下,促进和催化更多的锌离子嵌入,提高了循环稳定性和可逆性。锰基膨胀型水合钒酸盐(MnVO)在50mA·g-1的电流密度下表现出412mAh·g-1的比容量,在4A·g-1的电流密度下表现出260mAh·g-1的比容量,在2000周后仍有92%的容量保持率。在4A·g-1的电流密度下,锰基膨胀型水合钒酸盐能量效率从水合五氧化二钒的41%提升至70%,在搁置50天后MnVO电池的开路电压仍有截止电压的85%。该研究成果表明通过过渡金属阳离子改性得到的膨胀型水合钒酸盐是一种水系锌离子电池高性能电极材料,该方法是一种可用于开发其他多价离子电池高性能正极材料的普适性策略。

该论文作者为:Chaofeng Liu, Zachary Neale, Jiqi Zheng, Xiaoxiao Jia, Juanjuan Huang, Mengyu Yan, Meng Tian, Mingshan Wang, Jihui Yang*, Guozhong Cao*.

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此链接查看原文:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/EE/C9EE00956F#!divAbstract)

标题:Expanded hydrated vanadate for high-performance aqueous zinc-ion batteries.

期刊信息:Energ. Environ. Sci., 2019, 12 (7), pp 2273-2285. DOI: 10.1039/C9EE00956F

 

Energ. Environ. Sci.导读-2019年12卷7期.

定制适用于电动车实际应用的锂金属电池

锂金属的理论比容量高达3860 mAh g-1,因此被认为是高能量密度电池的可选择性负极。然而,锂枝晶的生长导致金属锂在快速充放电和高活性材料负载条件下的循环性能较差,阻碍了锂金属电池在电动汽车领域中的应用。近日,韩国汉阳大学Yang-Kook Sun教授与Chong S. Yoon教授合作报道了实际应用的锂金属电池(LMB)能在高能量密度传输过程中实现快速充放电的新突破。该团队使用了由1MLiPF6和0.05M草酸锂二氟硼酸盐溶解于碳酸乙酯和碳酸氟乙烯混合液中组成的电解液,以确保在负极表面形成稳定而坚固的固态电解质层。使用LiNO3对锂金属负极进行预处理,可预先得到富Li2O的SEI膜,从而提供所需的机械强度防止SEI膜过早的破坏。正极使用Al掺杂的全浓度梯度Li[Ni0.75Co0.10Mn0.15]O2能在高正极负载下提供必要的循环稳定性。通过集成这些组件,研究人员制备的LMB能在3.6mA/cm2的电流密度下,表现出4.1mAh/cm2的面比容量,同时300周循环后仍有较好的循环稳定性。为了证明所提出的LMB的商业可行性,该团队同时制备了锂金属软包电池,在循环500周后能保持90%的初始容量。研究人员认为该研究成果为开发实际应用的能满足电动汽车容量和充电速率要求的LMBs提供了新的视角。

该论文作者为:Jang-Yeon Hwang, Seong-Jin Park, Chong S. Yoon*, Yang-Kook Sun*.

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此链接查看原文:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/EE/C9EE00716D#!divAbstract)

标题:Customizing a Li–metal battery that survives practical operating conditions for electric vehicle applications.

期刊信息:Energ. Environ. Sci., 2019, 12 (7), pp 2174-2184. DOI: 10.1039/C9EE00716D

 

Energ. Environ. Sci.导读-2019年12卷7期.

新型阳离子无序Zn(Cu)-Si-P化合物在下一代锂离子电池高性能负极中的应用

 

为了满足锂离子电池大容量、高倍率性能和长循环寿命等不断增长的性能要求,开发低成本、高性能的锂离子电池负极以取代广泛使用的石墨电极是非常必要的。与二元相或一元相材料相比,基于多相复合材料的负极可实现更好的能量密度、循环寿命和倍率性能。此外,该复合材料的组成相在充放电循环期间表现出可逆的协同效应。然而,这些多相复合材料仍然面临材料的热力学稳定性的挑战。因此,合理设计具有优异电化学性能的多相材料以及低沉本的合成工艺对开发新一代锂离子电池具有重要价值。近日,美国佐治亚理工学院的刘美林教授与南方科技大学李欣蔚博士合作报导了关于新型阳离子无序ZnSiP2负极的设计,合成和表征。当在锂离子电池(LIB)中测试时,ZnSiP2的阳离子无序相表现出比ZnSiP2的有序相更快的反应动力学和更高的能量效率。理论计算和实验测量结果表明,该材料具有较高的电导率和和导离子率,并且具有较好的抗体积变化能力。此外,阳离子无序Zn(Cu)-Si-P/C复合材料表现出良好的循环稳定性和优异的倍率性能。该性能超过了目前所有报导过的多相负极。具有一系列不同阳离子比例的阳离子无序Zn(Cu)-Si-P族表现出相似的性能,拥有较大的比容量,首周库伦效率和高安全性。

该论文作者为:Wenwu Li, Xinwei Li*, Jun Liao, Bote Zhao, Lei Zhang, Le Huang, Guoping Liu, Zaiping Guo, Meilin Liu*.

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此链接查看原文:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/ee/c9ee00953a#!divAbstract)

标题:A new family of cation-disordered Zn(Cu)–Si–P compounds as high-performance anodes for next-generation Li-ion batteries.

期刊信息:Energ. Environ. Sci., 2019, 12 (7), pp 2286-2297. DOI: 10.1039/C9EE00953A

 

Energ. Environ. Sci.导读-2019年12卷6期.

一种石墨插层化合物使得液态Na-K可作为超稳定和高容量碱金属负极

 

现代社会迫切需要设计和开发具有高能量密度和长使用寿命的可充电电池,以便存储可再生和可持续能源。在各种储能技术中,碱金属电池(AMB)被认为是有希望的下一代技术,因为碱金属负极(Li,Na,K)具有高理论容量和低氧化还原电位。虽然已经对锂金属进行了广泛的研究,然而枝晶生长和严重的界面问题是AMB实际应用的巨大挑战。近日,美国德克萨斯大学奥斯汀分校的余桂华教授团队设计了原位形成的石墨插层化合物(GIC)框架,能使Na-K液态合金被用于超稳定和高容量的负极,优异的性能主要归因于GIC框架的快速电子和质量传输以及Na-K液态合金的自愈合行为之间的协同效应。Na-K化合物电极能在20mA/cm2的电流密度下实现重复沉积/溶解5000小时以上,在80 mA/cm2和16 mAh/cm2条件下实现稳定的电化学沉积。当和其他正极组合使用时,碱金属电池可实现长循环寿命和高的工作电压。该框架设计为开发无枝晶的碱金属阳极提供了新的思路。

该论文作者为:Leyuan Zhang, Sangshan Peng, Yu Ding, Xuelin Guo, Yumin Qian, Hugo Celio, Gaohong He, Guihua Yu*.

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此链接查看原文:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/EE/C9EE00437H#!divAbstract)

标题:Graphite intercalation compound associated with liquid Na-K towards ultra-stable and high-capacity alkali metal anodes.

期刊信息:

Energ. Environ. Sci., 2019, 12 (6), pp 1989-1998. DOI: 10.1039/C9EE00437H

 

Energ. Environ. Sci.导读-2019年12卷6期.

多功能增白剂激发的中间相使锌负极实现长寿命和深度充放电

 

随着全球对环境友好和资源有效利用的要求,迫切需要绿色和更安全的电池系统。高性价比的的水系锌电池是最有希望的候选电池之一,其具有高倍率性能和优异的体积能量密度(Zn/MnO2电池的理论能量密度> 400 Wh L-1)。然而,充电过程中枝晶生长以及电极-电解质界面处复杂的副反应而造成的金属锌电化学不可逆性和低利用率阻碍了其更广泛的应用。近日,中科院青岛生物能源与过程研究所的崔光磊教授团队提出了一种易于实施的策略,构建一种提高成核势垒,限制Zn2+二维扩散的“增白剂启发”的保护性聚酰胺层,有效调节了水溶液中的锌沉积行为。重要的是,作为一层缓冲层能有效隔离电解液中的活性锌,这一中间相也抑制了自由水/氧诱导的腐蚀和钝化。这种可逆的无枝晶沉积/溶解的改性聚合物锌负极即使在高面积容量和85%放电深度下,比单纯锌提高60倍的运行寿命(超过8000小时)。这种可充锌负极配上MnO2正极能组成一个稳定的全电池。该方法是一种可这项工作为水系锌负极的合理调节提供了新的见解,并为解决先进锌电池负极问题提供了有前景的解决办法。

该论文作者为:Zhiming Zhao, Jingwen Zhao*, Zhenglin Hu, Jiedong Li, Jiajia Li, Yaojian Zhang, Cheng Wang, Guanglei Cui*.

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此链接查看原文:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/EE/C9EE00596J#!divAbstract)

标题:Long-life and deeply rechargeable aqueous Zn anodes enabled by multifunctional brightener-inspired interphase.

期刊信息:Energ. Environ. Sci., 2019, 12 (6), pp 1938-1949. DOI: 10.1039/C9EE00596J

 

Energ. Environ. Sci.导读-2019年12卷5期.

固体电解质界面的纳米结构及其对钠离子电池微米尺寸Sn负极的影响

 

目前较多证据表明,醚基电解质在钠离子电池中提供更稳定的负极性能,即使在充/放电过程时遭受巨大体积变化的微米尺寸合金电极也是如此。据推测,醚基电解质可能会产生更强的固体电解质界面(SEI),但由于SEI的结构复杂性和极易受损的性质,其详细机制仍然未知。近日,香港理工大学的Biao Zhang教授和Ye Zhu教授合作报导了采用低温透射电子显微镜结合X射线光电子能谱和密度泛函理论计算,揭示碳酸盐和醚基电解质中Sn电极表面的特征SEI结构。结果表明在醚基电解质中形成了超薄SEI,其中无定形颗粒分散在聚合物状基质中。这种独特的纳米结构表现出优异的机械弹性,并且对合金电极的大体积变化产生异常稳定性。该工作揭示了钠离子电池中醚基电解质在钠离子电池中有优势的原因,这种优化的SEI有望能够应用于微尺寸合金等高容量负极。

该论文作者为:Jiaqiang Huang, Xuyun Guo, Xiaoqiong Du, Xiuyi Lin, Jianqiu Huang, Hong Tan, Ye Zhu*, Biao Zhang*.

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此链接查看原文:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/EE/C8EE03632B#!divAbstract)

标题:Nanostructure of solid electrolyte interphases and its consequences for microsized Sn anodes in sodium ion battery.

期刊信息:Energ. Environ. Sci., 2019, 12 (5), pp 1550-1557. DOI: 10.1039/C8EE03632B

 

 

Energ. Environ. Sci.导读-2019年12卷5期.

由项链状氮掺杂中空碳制成的具有分级孔的独立薄膜用于高性能钾离子存储

 

钾离子电池(PIB)由于其低成本和高安全性等优点,作为锂离子电池(LIB)的替代品而备受关注。然而,设计稳定、高容量的纳米碳以实现钾离子的高效嵌入/脱出仍然是一个巨大的挑战。近日,北京大学郭少军团队报导了一类超高吡咯/吡啶-N-掺杂项链状空心碳(NHC)材料作为一种新型自支撑负极,用于增强PIB的容量、倍率性能和耐用性。制成的NHC薄膜具有丰富的分层孔道结构、项链状空心结构、超高吡咯/吡啶-N掺杂和高比表面积,最终可促进钾离子的嵌入/脱嵌,减少体积膨胀,提高PIB的循环稳定性。这些新特点能使NHC在100mA/g的电流密度下表现出高达293.5mAh/g的可逆比容量,优异的倍率性能(在2000mA/g的电流密度下表现出204.8mAh/g),良好的循环性能(在1000mA/g的电流密度下循环1600周后仍有161.3mAh/g),这是目前PIB负极碳基非金属材料中最佳的性能。密度泛函理论(DFT)计算表明,吡咯和吡啶-N掺杂可以有效地改变碳的电荷密度分布,促进K+在NHC电极上的吸附,从而促进钾离子的存储。

该论文作者为:Wenxiu Yang, Jinhui Zhou, Shuo Wang, Weiyu Zhang, Zichen Wang, Fan Lv, Kai Wang, Qiang Suna, Shaojun Guo*.

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此链接查看原文:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/EE/C9EE00536F#!divAbstract)

 

标题:Freestanding film made by necklace-like N-doped hollow carbon with hierarchical pores for high-performance potassium-ion storage.

期刊信息:Energ. Environ. Sci., 2019, 12 (5), pp 1605-1612. DOI: 10.1039/C9EE00536F