顶刊动态|EES/AM等各类储能电池近期研究进展【欧洲杯线上买球 周报160622期】
尽管锂离子电池（LIBS）已经在便携式电子应用领域获得了巨大成功，但成本和安全壁垒使得先进的LIBS不适合大功率存储和传输。作为替代方案，多价离子电池（如镁、钙、和铝）由于其在安全性、成本和容量方面的优势，有望成为新一代的能源存储设备。因此，近年来许多研究人员致力于开发高性能多价离子电池。
1.Energy & Environmental Science：一种高容量镁电池硫硼尖晶石型正极材料
随着越来越多的国家在最大限度地减少化石燃料的消耗方面达成共识，对于有能量密度更高、成本更低的电池需求便逐渐加剧。镁电池就是目前正在研究的新型电池系统之一。它依赖于一个镁负电极，该电极在充电过程中不产生枝晶，并且其体积密度是锂的两倍。可惜的是，一直以来镁电池的发展由于缺少功能性正极材料而受阻。
继2000年第一代功能性正极材料（Mo6S8）发现后，近日滑铁卢大学的Linda F. Nazar以及劳伦斯伯克利国家实验室的Miao Liu等人提出了第二代功能性正极材料——立方硫硼尖晶石Ti2S4，并通过X射线衍射以及第一性原理计算的方法对镁离子在晶格中的位置和流动进行了探究。Ti2S4材料使得镁离子电池在60摄氏度，0.2 C的倍率之下循环可以达到其理论容量的80%。同时，这一高达230 Wh/kg的能量密度，是类似条件下Mo6S8的两倍。这些研究结果也表明了“软”阴离子对于实现二价阳离子在镁电池正极材料中迁移的重要性。这对接下来继续寻找镁电池正极材料具有启发性的意义。
文献链接：A High Capacity Thiospinel Cathode for Mg Batteries
2.Advanced Materials：通过模仿人类头发排列的柔性锌空气电池
随着企业和个人对智能可穿戴和无线通讯电子器件的需求不断增加，柔性高能量电池也正在被逐渐开发以适应这股新浪潮。锌空气电池相比其他类型的电池有一个重大的优势——可以在能源密度方面进行改进。其高能量密度的优势主要归功于独特的“半开放”系统，锌与空气中的氧在其中进行反应。锌空气电池的理论能量为1084 Wh kg−1，这一数值是目前锂电池的四倍多。
滑铁卢大学Zhongwei Chen课题组的研究人员通过对人体头发阵列的形态仿真，提出了一种三维纳米结构的可逆空气电极，并在一个柔性固态锌空气电池中测试其性能。该电极相比传统电极有以下优点：（1）特殊结构能大大提高整个电极的电子传递性能；（2）其中的活性位点可以显著提高发电效率、活性物质利用率以及高电流密度；（3）多孔的三维纳米结构有利于氧气和电解质有效扩散。这种柔性电极材料的开发有望推进锌空气电池在智能可穿戴和无线通讯电子器件方面的运用。
文献链接：Flexible Rechargeable Zinc-Air Batteries through Morphological Emulation of Human Hair Array
3.Angewandte Chemie International Edition：无水钠-氧电化学放电产物的溶剂介导控制
虽然现在Li-O2，Na-O2电池的电解质已不局限于碳酸盐、醚和离子液体（IL）。然而碳酸盐和离子液体（IL）已被证明对于NaO2来说是不稳定的电解质。近期，研究者认为碳酸钠和羧化物是Na2O2放电的主要产物。
利物浦大学史蒂芬森可再生能源研究所的Iain M. Aldous及Laurence J. Hardwick博士发现：在二氧分子降低的情况下，调整钠离子数可导致NaO2和Na2O2在电极表面产生放电产物。调整这一过程机理的方向，可以增强确定这些钠-氧电池能量密度的能力(NaO2: 1071 Whkg-1 and Na2O2:1505 Whkg-1)。通过对一系列的无水溶剂的光谱分析，我们发现了这些过程对电解液以及后续发生的Na+与O2间相互作用的依赖性。其中，溶液形成和去除[Na+-O2-]ads的能力是基于Gutmann施主数量的，它能够影响最终的放电产物和电池机制。研究人员还利用表面增强拉曼光谱和电化学技术，分别表征了Na-O2电池与硫氧化物、酰胺、醚、腈等电解质溶剂的化学反应。这一研究结果对于探究Na-O2电池在有机溶剂的循环行为具有重要意义。
4.ACS Nano：用透射电子显微镜揭示锂合金化电极中的相边界扩展机理
电极在充放电循环过程中的微观结构变化将直接影响电池循环寿命。因此揭示电极的微观结构变化对探究电池循环性能有重要意义。但由于锂离子电池负极材料的首次衰减在充放电曲线上表现得不够明显，因此Sandia国家实验室的Andrew J. Leenheer等人运用透射电子显微镜（TEM）对全封闭的液体电池的原位纳米相演变进行了表征，揭示了锂离子电池负极材料首次衰减的个中原因。研究人员将非晶硅薄膜、晶体Al薄膜、晶体Au薄膜三种模型材料浸入在商业化的液体电解质中并控制锂化和脱锂速率，从而比较三者之间的电化学相变行为。这种方法允许在纳米负极材料中直接观察锂化机制，它揭示了一个简单的表面内锂化点不足的模型。对于结晶薄膜，锂化从几个初始成核点开始横向扩展，随着生长界面连续的晶粒成核。其中的锂化中间相由电子衍射确定，用高分辨率的解剖成像显示最终的组织细节。研究结果表明，电化学诱导固体−固体相变将会在横向扩展的相边界产生高度集中的应力，这一现象应该在今后的锂离子电池纳米电极的开发设计中给予足够的重视。
5.Advanced Energy Materials：一种新型的镁-碘电池
镁电池是极为有希望替代锂离子电池的电化学储能装置。目前，最先进的电解质的organo–Mg配合物，尽管其表现出了优异的电化学性能，却存在着严重的与可燃性和腐蚀性相关的安全问题。此外，在正极材料为Mo6S8的情况下，它们的实际能量密度过低（≈130 mAh g−1），不利于进行实际运用。在过去的十年中，室温离子液体(RTILs)由于蒸气压低、非易燃性、高的室温电导率的优点，被证明是开发新型能量储存和转换系统的关键材料。
近日，来自意大利帕多瓦大学Vito Di Noto研究小组与美国田纳西大学Stephen J. Paddison教授合作，首次对一种用于第二代镁离子电池的新型碘化铝离子液体的合成与表征进行了报道。研究结果表明，这种类氯的系统有望在电沉积层上实现镁/铝可逆共沉淀，且库伦效率高达99.94%。同时，通过简单地改变卤素铝盐离子液体中的卤素原子可以调节其多种电化学性能，如电导率、库伦效率、电化学沉积-剥离的过电压以及沉积层的组成。这显然将离子液体电解质在镁电池中的应用推向一个新领域。
文献链接：Toward a Magnesium-Iodine Battery
6.Advanced Energy Materials：一种高容量镁电池聚蒽醌基有机正极材料
虽然在第一代功能性正极材料（Mo6S8）被发现后，镁离子电池得以发展。但是，Mo6S8的理论容量仅有 130 mAh g−1，且只能在低于1.3 V的电压工作，这并不利于高密度储能。因此，寻找更高的工作电压和更高容量的正极材料是目前发展镁离子电池面临的重要研究课题之一。
氧化还原活性的有机材料是另一种类型镁离子电池正极材料，其优势在于其资源的可持续性和环境友好性。美国西北大学的Chen Liao研究小组最近报告了两种新的蒽醌基聚合物2,6-polyanthraquinone (26PAQ) 和1,4-polyanthraquinone(14PAQ)，以及1,5-poly(anthraquinonylsulfide) (PAQS)作为高性能镁离子电池正极材料的研究进展。结果表明，在三者之中14PAQ在镁离子电池中表现出电化学性能最佳。这有利于解决有机正极循环容量低的问题，构建一个更加稳定的、可循环的镁离子电池系统。
文献链接：Polyanthraquinone-Based Organic Cathode for High-Performance Rechargeable Magnesium-Ion Batteries
7.Nano Energy：一体化设计——具有柔性聚硫化物宿主及稳定的锂合金负极的高性能锂硫电池
锂硫电池的容量衰减快及低载硫量的缺点阻碍着其实际的应用。近日，德克萨斯大学奥斯汀分校材料科学与工程学院的Arumugam Manthiram研究小组设计出一种强韧的柔性纸电极作为锂硫电池上有效的硫宿主，该电极是由搭载着MnO2纳米片的碳纳米管（CNT）和活性炭纳米纤维(ACNF)构成的。这种一体化的设计有利于提高载硫量和硫的利用率，并有效地抑制寄生穿梭效应。相应地，这有具有高载硫量的锂硫电池也表现出了高倍率容量——2 C倍率下的容量为780 mAh g-1，以及高容量保持率——300次循环后容量保持在64%。这一研究成果极有希望推进Li-S电池的实际运用。此外，该研究也证明了稳定的锂合金负极材料对穿梭效应的抑制作用也有助于改善电池的循环性能。
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