顶刊动态｜各类储能电池大放异彩【欧洲杯线上买球周报第21期】

蒜头 7年前 (2016-09-25) 7162浏览

历经几十年的研究，锂离子电池技术日趋成熟，且锂资源的有限性制约进一步发展。于是人们纷纷将目光投向其他二次电池如钠离子电池、钾离子电池和铝离子电池等。本期欧洲杯线上买球周报将带大家一览近期各类储能电池的研究进展。

1.Adv. Mater.:无枝晶钾电池——液态K-Na合金负极

图1. 固态金属负极转变为液态金属负极以抑制枝晶的示意图

固态钾金属负极出现的枝晶现象阻碍钾电池的发展。近来，美国德克萨斯州大学奥斯汀分校John B. Goodenough教授课题组（通讯作者）采用室温下液态的K-Na合金固定在强韧多孔膜上作为负极，同时采用液态有机电解液，得到具有高循环稳定性的无枝晶钾电池。这项工作为其他正极材料开辟新的机遇。

文献链接：Liquid K–Na Alloy Anode Enables Dendrite-Free Potassium Batteries (Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201602633 )

2.Adv. Mater. :钠离子电池——碳点优化多层石墨烯包裹花瓣状金红石型TiO₂

图2. 石墨烯包裹花瓣状金红石型TiO₂的形成示意图

过去十年中人们致力研究形貌各异的TiO₂以提高电化学性能。最近，中南大学纪效波教授课题组（通讯作者）首次采用碳点作为“设计师添加剂”，诱导TiO₂从纳米球生长为纳米针，最后进一步制备多层石墨烯包裹花瓣状金红石型TiO₂。这项工作表明，碳点定制的独特纳米结构，伴随着多层石墨烯的包裹，可以显著提高金属/金属氧化物储能系统的电化学性能。

文献链接：Graphene-Rich Wrapped Petal-Like Rutile TiO₂tuned by Carbon Dots for High-Performance Sodium Storage (Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201601621 )

3.Adv. Mater. :氯铝酸根离子插层获得3D石墨泡沫（3DGF）用于超快铝离子电池

图3. 3DGF制备和电池组装的示意图，插图分别为PG、首次膨胀PG、二次膨胀3DGF

石墨片的多孔结构是一种有趣的储能或电催化材料。最近，美国斯坦福大学戴宏杰教授和山东滚球体育大学林孟昌教授等（共同通讯）采用氯铝酸根离子插层热解石墨（PG），随后进行热膨胀和电化学析氢反应，制备含有排列整齐几层石墨烯的新型3DGF。3DGF具有很好的各种电化学研究及应用前景。

文献链接：3D Graphitic Foams Derived from Chloroaluminate Anion Intercalation for Ultrafast Aluminum-Ion Battery (Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201602958 )

4.Adv. Mater. :选择性渗透膜提高有机钠离子电池循环稳定性

图4. 钠离子渗透膜示意图

在有机电解液中溶解是有机电极材料碰到的难题。为了提高循环稳定性，德国伊尔梅瑙工业大学Yong Lei教授课题组（通讯作者）提出一种新策略，采用选择性渗透膜允许钠离子通过而阻止活性材料进入电解液。这项工作为提高有机钠离子电池循环稳定性开辟新途径。

文献链接：A Selectively Permeable Membrane for Enhancing Cyclability of Organic Sodium-Ion Batteries ( Adv. Mater., 2016, DOI: 10.1002/adma.201603240 )

5.Angew. Chem. Int. Ed. :钠离子电池负极材料——完全固溶度的钴掺杂FeS₂纳米球

图5. Co掺杂FeS₂储钠机理示意图

基于CoS₂和FeS₂具有相似的结构，韩国东国大学Yong-Mook Kang教授和南开大学陈军教授等（共同通讯）采用溶剂热法制备不同钴含量的Co掺杂FeS₂并首次用于钠电负极。Co_0.5Fe_0.5S₂表现出最佳的电化学性能，在2 A/g下循环5000次比容量保持有0.220 Ah/g，甚至在20 A/g下也有0.172 Ah/g，并发现在首次活化中转变为层状结构。该材料成为有前途的钠离子电池负极材料。

文献链接：Cobalt-Doped FeS2 Nanospheres with Complete Solid Solubility as a High-Performance Anode Material for Sodium-Ion Batteries (Angew. Chem. Int. Ed., 2016, DOI: 10.1002/ange.201607469 )

6.Angew. Chem. Int. Ed. :碳氧化物盐用于快速可充电池

图6. 碳氧化物盐的制备、结构和理论反应

碳氧化物盐通过质子交换反应可作为Li、Na或K离子电池的电极材料。南开大学陈军教授课题组（通讯作者）首次发现K₂C₆O₆可作为快速充放电的钾离子电池正极材料，其比容量在0.2 C下高达212 mAh/g，10 C下保持有164 mAh/g。这项工作或将引发对钾离子电池的开发。

文献链接：Oxocarbon Salts for Fast Rechargeable Batteries (Angew. Chem. Int. Ed., 2016, DOI: 10.1002/anie.201607194 )

7.Adv. Energy Mater. :锂硫电池——共价有机框架高效化学吸附多硫化物

图7. COF的制备和N、B掺杂COFs化学结构的示意图

很多人致力于减小锂硫电池的穿梭效应以提高循环稳定性。最近，国家纳米科学中心唐智勇教授和李连山教授课题组（共同通讯）采用硼酸酯共价有机框架（COF）增强对多硫化锂的吸附，孔隙中正极化B和负极化O可同时有效吸附和Li⁺。这项工作为新型多孔主体材料的设计和制备开辟新途径。

文献链接：Efficient Polysulfide Chemisorption in Covalent Organic Frameworks for High-Performance Lithium-Sulfur Batteries (Adv. Energy Mater., 2016, DOI: 10.1002/aenm.201601250 )

8.Adv. Energy Mater. :锂空电池正极材料——铂包覆中空石墨烯纳米笼

图8. Pt包覆中空石墨烯纳米笼示意图

质子惰性系锂空气电池一个很大的问题是高充电过电位。为克服这一问题，北京理工大学陈人杰教授和美国阿贡国家实验室Jun Lu博士等（共同通讯）制备出超细Pt包覆中空石墨烯笼。该正极材料的充电电位在100 mA/g下能低至3.2 V，甚至在500 mA/g下保持低于3.5 V。这种新型正极结构是锂空气电池有希望的候选。

文献链接：Platinum-Coated Hollow Graphene Nanocages as Cathode Used in Lithium-Oxygen Batteries ( Adv. Energy Mater., 2016, DOI: 10.1002/adfm.201602246 )

9.Nano Lett. :核壳结构Li(Ni_xMn_yCo_z)O₂@LiFePO₄改善高电压循环稳定性

图9. 核壳结构Li(Ni_xMn_yCo_z)O₂@LiFePO₄表征

由于在高电压下较差的循环稳定性，层状过渡金属氧化物难以被广泛应用。为解决这一问题，北京大学深圳研究生院潘锋教授课题组（通讯作者）设计出纳米晶LiFePO₄包覆层，得到核壳纳米结构Li(Ni_xMn_yCo_z)O₂@LiFePO₄。该正极材料在3.0-4.6 V内长循环测试中表现出高比容量。这一工作促进过渡金属氧化物应用在电动车上的发展。

文献链接：Aligned Li⁺Tunnels in Core−Shell Li(Ni_xMn_yCo_z)O₂@LiFePO₄Enhances Its High Voltage Cycling Stability as Li-ion Battery Cathode ( Nano Lett., 2016, DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b02742 )

10.Energ. Environ. Sci. :用于锂硫电池的中空微/纳米结构的设计与工程