顶刊动态|Angew/ACS Nano等近期各类电池研究进展汇总【欧洲杯线上买球 周报160509期】

欧洲足球赛事 注：在当前各类电池的研究中，锂离子电池作为最先进的储能技术仍然受到能量密度、循环寿命以及安全性和成本等诸多因素的限制。研究人员除了通过在锂离子电池材料中引入纳米技术等方法提升其性能之外，还研究出了具有优异性能的镁/硫电池、钠离子电池等作为电源技术的补充。下面让我们一起看看本周各类顶刊在电池方面的研究进展吧。

1. Angewandte chemie：使用简单镁电解质的镁/硫电池的合成、晶体结构和电化学性能

在储能设备中，锂离子电池是当前最先进的储能技术，然而，能量密度、循环寿命以及成本和安全问题，成为限制锂离子电池发展的因素。硫电池因为其具有廉价、原料丰富、无毒的特点，以及其具有较高的理论容量成为研究的热点。

中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所合成并且表征了电活性镁盐[Mg-(THF)₆][AlCl₄]₂。大多数以简单镁盐作为镁电池的电解液都趋向于过快地造成镁金属表面的钝化，而以这种单核盐为基础的电解质表现出了较高的循环效率，良好的阳极稳定性以及高的离子电导率。他们将MgCl₂与AlCl₃溶解在离子液体四氢呋喃溶剂中，在约95℃下反应所获得的电解液具有优良的镁阳极沉积行为。

文献链接：Synthesis, Crystal Structure, and Electrochemical Properties of a Simple Magnesium Electrolyte for Magnesium/Sulfur Batteries

2. Angewandte chemie：4V钠离子电池三斜Na₂CoP₂O₇的缺陷形成的控制

可充电电池是能量存储系统（ESSs）的关键技术，但在工业应用上要求改进电池的电化学性能并且降低制造成本。由于钠元素在地球上含量丰富，使其成为能量存储技术很有前景的候选材料，故而钠离子电池（SIB）成为了研究热点。然而，从本质上讲钠离子电池的能量密度比锂离子电池的能量密度要低。为了获得净能量密度更高的钠离子电池，几种方法已应用于提高电池的电压，如氟化，过渡金属（TM）的改性和聚阴离子改性等。其中多晶态的结构控制可以提高电池电压，改善电池的电化学性能。

目前，韩国科学技术院采用缺陷工程的结构控制方法，进行了不同晶型物在各种电极材料中稳定性的研究。多晶型物具有相同的化学式，但由于晶体结构不同，他们的物理、化学性能也不尽相同。由于在电极材料中，碱金属离子与过渡金属络合物的结合受结构的影响，从而使得不同晶型物在电极材料中的电化学性能不同。Na₂MP₂O₇是本文研究的重点，由于金属M的不同，这种盐可以形成7种不同晶型。而Na₂CoP₂O₇盐随着Na离子的减少，缺陷增多，电极材料的容量也开始提升。

文献链接：Defect-Controlled Formation of Triclinic Na2CoP2O7 for 4 V Sodium-Ion Batteries

3. Acs Nano：使用生物化学法制备的3D泡沫材料用于超快充电电池

金属磷酸钒（MVP），尤其是Li₃V₂(PO4)₃和Na₃V₂(PO₄)₃(NVP)，是具有潜力的下一代锂/钠离子电池正极材料。但是LVP和NVP低的电子/离子传导率限制了它们在要求苛刻的设备如电动汽车上的应用。

安徽工业大学及南洋理工大学研究人员论证了了LVP/NVP一种新的合成路线——经过弹性蛋白多样肽组装LVP/NVP的微/介孔3D泡沫结构。所合成的MVP 3D泡沫纳米微孔网络，在单个纤维表面都覆盖着MVP的纳米晶。透射电子显微镜分析进一步揭示，LVP/NVP纳米颗粒直径约100~200 nm，每个颗粒由5纳米厚的碳壳包围。这种有3D泡沫结构的材料具有超快的充电能力（LVP 3D泡沫在100 C下有79 mA h g^-1的容量，在200 C下有66 mAh g^-1的容量；NVP 3D泡沫在100 C下有73 mA h g^-1的容量，在200 C下有51 mA h g^-1的容量）和优异的循环性能（100 C下经1000次循环后保持约100%的容量），其性能远远优于目前最先进的活性材料。

文献链接：Biochemistry-Enabled 3D Foams for Ultrafast Battery Cathodes

4. Small ：激光烧蚀法制备锂离子电池的阳极“SiO_x纳米蒲公英”结构

锂离子电池中的硅基负极材料具有较低的放电电位以及最高的理论充电容量（4200 mAh·g^-1），几乎是石墨阳极材料的10倍。但是这种负极材料在锂化与脱锂过程中伴随有很大的体积和结构上的变化，这会导致硅基阳极因为膨胀引起的应力应变而粉碎、失效，最终使阳极容量迅速下降。而纳米结构的硅基材料能有效的解决阳极体积膨胀和裂缝问题，故多孔系的纳米硅基材料有望成为克服普通硅基材料缺点的候选材料。

清华大学材料学院利用激光烧蚀技术制备了“纳米蒲公英”结构的SiO_x材料，并研究了纳米结构硅阳极的电极循环性能。在1-0 V的恒流深充/放电流循环下，多孔硅电极的锂化电极容量最高为2059 mA h g^-1，脱锂电极容量最高为1475 mA h g^-1，在深循环800次以后，多孔硅电极循环稳定性仍然很高，保持约960 mA h g^-1的电极容量。正是由于纳米蒲公英结构的硅基材料具有多孔结构，可以提供较大的空间，故可以减小锂化/脱锂过程中的应力应变。

文献链接：SiOx Nanodandelion by Laser Ablation for Anode of Lithium-Ion Battery

5. Nano Energy：表面活性剂模板法制备超薄TiO₂介孔材料

纳米复合材料的电化学性能可以通过合理设计柔性的核-壳异质结构得到改善。通常情况下，在柔性石墨载体上的薄孔晶体过渡金属氧化物的均匀涂层可以同时提供快速的离子和电子传递途径，这是高效率锂离子电池的理想材料。

复旦大学赵东元课题组利聚氧乙烯聚氧丙烯醚嵌段共聚物—普兰尼克F127作为表面活性剂模板，在柔性石墨表面沉积超薄介孔TiO₂涂层，所得到的多壁碳纳米管和介孔TiO₂涂层的混合电极具有超高的比表面积（137 m²/g）、很大的内部孔体积（0.26 cm³/g）、均匀的介孔（6.2 nm）以及超薄高结晶介孔锐钛型壳层（20 nm）。作为锂电池负极材料，这种混合电极也显示出了高的倍率容量（210 mA h g^-1at 20 ℃, 1 C = 170 mA g^-1），高库仑效率（接近100％，在20℃下1000次）和超长的循环寿命（保持210 mAh g^-1、 1000次循环，20 ℃）。

文献链接：Surfactant-templating strategy for ultrathin mesoporous TiO2 coating on flexible graphitized carbon supports for high-performance lithium-ion battery

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