二次电池电极材料前沿研究成果精选

电极材料在电池中是重要的组成部分，提升材料的容量、循环寿命将对全电池的性能的提升十分关键。本篇汇总将带大家阅览近期各类二次电池材料的最新研究进展。

1.Adv. Energy. Mater.:源于相界面增强赝电容的镍基复合物用于电化学储能。

近日，来自中山大学的宋树芹教授和童叶翔教授（共同通讯作者）报道了一种采用镍基前驱液在氨气和硫中退火，生成了Ni₃N@Ni₃S₂纳米片复合物，用于锂离子电池的负极材料。该复合物由许多Ni₃N和Ni₃S₂组成( Ni₃N具有高赝电容特性，N₃S₂具有扩散控制的良好性质)，两者之间的相界面组成了Ni₃N-Ni₃S₂的n-p型异质结提供了额外的活性位点。另外，在整个电极体系中，Ni₃N作为基底能有效地缓解Ni₃S₂的体积膨胀和粉化，促进了电子传输，增强了电容贡献和倍率性能。Ni₃S₂稳定体分散在Ni₃N界面，维持了结构的稳定性，贡献了扩散控制的容量。这为构建不同材料之间的表面晶格失配创造充足的活性位点提供了思路。

文献链接：http://onlinelibrary.wiley.com/wol1/doi/10.1002/aenm.201701681/abstract(Adv. Energy. Mater.:10.1002/aenm.201701681)

2.Adv. Energy. Mater.:富镍层状结构正极材料的新视角分析。

随着LiMO₂(M=Ni, Co, Mn)层状体系材料中Ni含量的增加，锂电池正极的也因此获得高容量。因此研究Ni在层状结构材料中的主要作用显得十分重要。近日，来自成均馆大学的Won-Sub Yoon教授（通讯作者）对Co修饰的NCM材料进行HRPD精修，发现锂离子迁移的真实环境与c_hex.-晶格常数并没有太大关联，这与之前的人们的认识并不相同。尽管c_hex.-晶格常数在减少，但是间晶片的厚度随着Ni含量的增加变得更宽。而且，虽然在去插层状态下c-轴晶粒坍塌，锂离子传输通道却仍然保留。从原位XRD结果得知，高Ni含量的材料拥有更流畅的相转换和更少的晶格失配，这可以促进了锂离子的运输。总之，高Ni含量的NCM体系材料提供了优越的电化学、结构特性和热稳定性，这些发现启发了人们设计下一代高能量电极材料。

文献链接：http://onlinelibrary.wiley.com/wol1/doi/10.1002/aenm.201701788/abstract(Adv. Energy. Mater.: 10.1002/aenm.201701788)

3.ACS Nano:快充型高容量沥青-金属锂电池。

近日，来自莱斯大学的James M. Tour教授用一种简单的方法制备了源于沥青的超高比表面积的多孔碳用于锂电池负极。为了提高沥青的导电性，混合了石墨烯纳米带，并且复合物都通过电沉积法完好地涂覆上金属锂。通过SEM图分析可知，锂枝晶的形成被抑制了，循环超过500次库伦效率仍有96%，循环稳定性优异。该电极能在20mA cm^-2高电流密度下工作，能在高功率密度下快速充放电。将沥青-石墨烯纳米带-金属锂复合负极和硫化的碳正极结合制备成全电池，将有望在未来快充电池领域大放异彩。

文献链接：http://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.7b05874(ACS Nano :10.1021/acsnano.7b05874)

4.Adv. Energy. Mater.:4V钠嵌入型材料用于新型钠离子负极。

钠离子电池有望成为锂离子电池的替代品。近日，滑铁卢大学的Linda F. Nazar教授报道了一种利用不同的中间吸电子多阴离子硒官能团，合成了一种新型正极材料Na₂Co₂(SeO₃)₃，其中的Co^2+/Co³⁺氧化还原对具有高氧化还原电位，高达4V(v.s. Na/Na⁺)，在钠离子电池正极为主体的材料中具有最高的电压。更重要的是，这与液体有机电解液能兼容使用。此外，还用微波水热法合成了纳米结构的Na₂Co₂(SeO₃)₃，并与GO结合使用。经过XRD、XPS和温度-磁化率测试，分析了Na₂Co₂(SeO₃)₃复合物的电化学和结构演变，证明了其具有良好的结构和电化学可逆性。

文献链接：http://onlinelibrary.wiley.com/wol1/doi/10.1002/aenm.201701729/abstract(Adv. Energy. Mater.10.1002/aenm.201701729)

5.Adv.Energy.Mater.:Al@C核壳结构纳米球双离子电池。

近日，来自中科院深研院的唐永炳研究员和中科院物理所的谷林教授报道了一种Al@C核壳结构纳米球用于铝基双离子电池负极。经过研究发现该纳米球比起平面电极可以减缓机械应力应变，从而防止材料粉化。除此以外，由于电子和锂离子对导电碳层导通性良好，有助于形成稳定的SEI膜。Al@C纳米球基双离子电池负极在15C电流密度下循环1000次仍有94.6%的容量保持率，拥有卓越的循环性能。此外，超高的能量密度148Wh kg^-1和功率密度3701W kg^-1都超过了大部分商业化锂离子电池，具有广阔的实际应用前景。

文献链接：http://onlinelibrary.wiley.com/wol1/doi/10.1002/aenm.201701967/abstract(Adv.Energy.Mater.:10.1002/aenm.201701967)

6.Adv.Funct.Mater.:CoS量子点纳米晶簇用于高能量密度钾离子电池。

近日，来自伍伦贡大学的陈俊教授和郭再萍教授报道了一种通过简单两步水热法将CoS量子点纳米晶簇均匀地生长在石墨烯纳米片上的复合物。CoS量子点和和石墨烯纳米片赋予复合物高比表面积和良好导电性网络。除此，界面良好接触增强了结构的稳定性，保证了钾离子在循环过程中的嵌入脱嵌循环过程的稳定。构建的CoS@G-25负极用于钾离子电池，在500mA g^-1电流密度下循环100次仍有310.8mA g^-1的容量。此外，与钠离子电池相比，钾离子电池有更好的倍率性能，这意味着CoS@G-25电极在钾离子电池中的高能量密度。

文献链接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201702634/full(Adv.Funct.Mater.:10.1002/adfm.201702634)

7.Nano Energy:低过电势高倍率的无定型LiO₂基Li-O₂电池。

Li-O₂电池由于具有超高能量密度被认为是下一代有前途的动力能源，但是其中放电产物的低导电性和过高的过电势(约1.5V)影响了其倍率特性。近日，中科院材料科学与光电子技术学院的刘向峰教授报道了一种基于形成和分解无定型LiO₂从而获得循环性能的Li-O₂电池。在3D多孔Pd-rGO混合结构的催化下，由于较低的氧化电势和无定型LiO₂薄膜的快速离子电导率，电池具有超低的过电势(约0.3V)，长循环寿命和高倍率性能。这一研究为解决Li-O₂电池关键问题提供了新思路。

文献链接：http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285517306183(Nano Energy: 10.1016/j.nanoen.2017.10.013)

8.Nano Energy:可充电铁空气电池及其纳米尺度铁负极氧化还原机理分析。

近日，来自德国尤里希研究所、德国亚琛工业大学的Henning Weinrich教授和橡树岭国家实验室的Nina Balke教授用原位EC-AFM显微镜研究了0.5M KOH中平面铁负极的表面，得到了形貌与电化学过程之间的相关变化。该研究表明，从氧化还原层形成的角度，铁电极表面的变化是双重的。一方面，铁离子不断发生的氧化还原反应产生了纳米尺度粒子，这些粒子在铁电极的氧化反应和还原反应过程中都有生成。另一方面，与在氧化反应中粒子生长一样，薄且均匀的层状物在铁表面上形成， 并在进一步的阳极反应中最终钝化金属铁电极，但是该钝化的铁电极是不可逆的。该文章深入地探究了在碱性介质中铁反应活性，并且提供了很多有关铁负极表面过程的详细数据，可用于探究铁基电池的性能。

文献链接：http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285517306262(Nano Energy: 10.1016/j.nanoen.2017.10.023)

9.Nat.Commun.:面边缘无定型硅纳米层活化石墨用于锂电快充。

随着动力电池的日益普及，人们对快充的需求日益剧增。近日，来自韩国蔚山国立滚球体育 研究所和韩国釜庆大学的Minseong Ko教授和Jaephil Cho教授报道了一种用镍催化加氢反应和C₂H₂和SiH₄气体进行CVD沉积的方法合成了面边缘活化石墨和a-Si纳米层。通过最小化比表面积，动力学过程增强了，提高了首次库伦效率。此外，Ni纳米粒子作为活化反应的催化剂，提高了材料的导电性。并且，尽管发生了催化加氢反应，外部的石墨壳层仍然作为支撑框架维持高机械强度，而致密核层维持者复合物的振实密度，从而提高了复合物的能量密度。电极的负载量高达3.4mAh cm^-2，电极能量高达1.6g cm^-3，半电池测试首次库伦效率高达93.8%，比电容525mAh g^-2，50次循环仍量保持率仍有99.3%。高电流密度(10.5mA cm^-2)和10倍传统石墨的锂容量（相对稳定电压下）在未来可充电电池中有广阔应用前景。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41467-017-00973-y(Nat.Commun.: 10.1038/s41467-017-00973-y)

10.Sci Adv.:微结构控制新型插入层状钛铌酸盐用于大量可逆d空间简易钠离子吸收。

近日，来自汉阳大学的Taeseup Song教授和Ungyu Paik教授联合韩国科学技术研究所和虚拟实验公司报道了一种通过溶剂热法和控制煅烧温度制备层状H_0.43Ti_0.93Nb_1.07O₅(HTNO)用于钠离子电池负极，该母体化合物KTNO设计成有(200)平面和2D离子运输轨道。HTNO具有合适的插层空间(约0.83nm)和合适的2D离子轨道运输钠离子。HTNO电极有可逆的220mAh g^-2，150次循环仍有91%容量保持率，以及5C下43%电容保持量的高倍率特性。DFT计算表明，由于合适的钠离子运输轨道的开放，钠离子在[010]方向的最低的扩散能量壁垒为0.19eV。

文献链接：http://advances.sciencemag.org/content/3/10/e1700509(Sci Adv.:10.1126/sciadv.1700509)

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