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解說頭版文章

品味智慧之光

縱使攬勝四方

我自封面大賞

——編語

鋰-二氧化碳電池

澳大利亞新南威爾士大學(xué)（University of New South Wales）戴黎明教授課題組聯(lián)合北京化工大學(xué)胡傳剛教授課題組報(bào)道了一種用于鋰-二氧化碳電池正極的催化劑材料。Li-CO₂電池的正極催化劑需要擔(dān)負(fù)催化還原CO₂及分解Li₂CO₃的任務(wù)。這種催化劑材料以氧化石墨烯（GO）為材料，通過氮摻雜和高溫移除氮原子兩步，合成了富有五元碳環(huán)、七元碳環(huán)等拓?fù)淙毕莸氖?/span>

密度泛函理論計(jì)算表明，拓?fù)淙毕葜袔ж?fù)電的碳是吸附CO₂和分解Li₂CO₃的活性位點(diǎn)。得益于催化劑的高性能，Li-CO₂電池展現(xiàn)出69000 mAh/g（0.5 A/g）的高能量密度；1.0 A/g下可穩(wěn)定運(yùn)行600次充放電循環(huán)；充放電過電勢(shì)為1.87 V（vs. Li⁺/Li）。

智慧之光！Advanced系列能源轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)類封面大賞（8月第3期）

封面是利用Li-CO₂電池供給火星探測(cè)車的概念圖。火星大氣層中CO₂占96%，是電能的可觀來源。藍(lán)色的拓?fù)淙毕菔┚W(wǎng)絡(luò)與上方飛舞的CO₂分子相互作用，完成了Li?Li₂CO₃的相互轉(zhuǎn)換（下方陰陽圖），為前方探測(cè)車供電。

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超級(jí)電容器電極材料

美國(guó)杜蘭大學(xué)（Tulane University）Michael Naguib教授課題組及合作者報(bào)道了一種提升MXene電極在室溫離子液體電解液中儲(chǔ)電性能的方法。室溫離子液體以其電化學(xué)穩(wěn)定性高而可承受高電壓，有利于增加超級(jí)電容器的比電容或能量密度。但是MXene材料（如Ti₃C₂T_x）因其層與層之間距離小，無法容納離子液體中的離子，因而儲(chǔ)能容量小。

針對(duì)層間距小的問題，作者們利用季銨鹽對(duì)Ti₃C₂T_x進(jìn)行插層，打開層間距，使離子液體中的離子嵌插成為可能。通過改變季銨鹽烷基鏈的長(zhǎng)度還能調(diào)控層間距大小。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示經(jīng)季銨鹽插層后的Ti₃C₂T_x電極在[EMIM]⁺[TFSI]^–室溫離子液體中均比不經(jīng)處理的Ti₃C₂T_x儲(chǔ)存更多電量。其中十二烷基三甲基銨正離子插層的電極展現(xiàn)出最高的比電容257 F/g（1 mV/s），相當(dāng)于1428 mF/cm²或492 F/cm³。此外，作者們還利用準(zhǔn)彈性中子散射、電化學(xué)阻抗、分子動(dòng)力學(xué)模擬等手段，解釋了電極電化學(xué)性能與季銨鹽烷基鏈長(zhǎng)度的關(guān)系：鏈長(zhǎng)越長(zhǎng)，層間距越大，電極活性比表面積越大，電容越大。但同時(shí)離子在層間的傳輸阻力增加，倍率性能變差。

MXene層間因?yàn)榧句@陽離子插層物（黑白長(zhǎng)鏈）存在而被打開，EMIM⁺離子（帶五元環(huán)的紅黑分子）得以快速進(jìn)入層間，完成儲(chǔ)能過程。封面直觀地總結(jié)了文章的要點(diǎn)。

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鋰離子電池正極材料

臺(tái)灣成功大學(xué)Watchareeya Kaveevivitchai教授課題組聯(lián)合美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Oak Ridge National Laboratory）Ilja Popovs教授課題組報(bào)道了一種鋰離子電池有機(jī)正極材料。這種有機(jī)小分子電極由醌與六氮雜三苯的端基鉗合而成，具有二維電子共軛結(jié)構(gòu)。分子間互相以氫鍵相連，鋪展形成二維超分子組裝體，共軛程度擴(kuò)大，因而材料導(dǎo)電，滿足電極的基本要求。

電極性能：容量426 mAh/g（200 mA/g）；10 A/g、1000次充放電循環(huán)后容量209 mAh/g，容量保持率~85%。作者稱倍率與穩(wěn)定性能是目前報(bào)道的有機(jī)小分子電池正極中最棒的。

封面頗具數(shù)字感。一輛疾馳的汽車內(nèi)部剖析開，著重呈現(xiàn)了其中的電池。電池中黑色物質(zhì)應(yīng)為文章涉及的有機(jī)電極材料。四周的黃色亮球應(yīng)為鋰離子。畫面下方可見電極材料的分子結(jié)構(gòu)模型和相鄰分子間氫鍵（虛線）。

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鎂離子超級(jí)電容器

韓國(guó)高麗大學(xué)（Korea University）Young Soo Yun教授、韓國(guó)仁荷大學(xué)（Inha University）Hyoung-Joon Jin教授、韓國(guó)國(guó)立江原大學(xué)（Kangwon National University）Hyung-Kyu Lim教授等探究了鎂離子的溶劑化與超級(jí)電容器最大穩(wěn)定工作電壓的關(guān)系。該研究的出發(fā)點(diǎn)是電荷大、半徑小的離子溶劑化程度強(qiáng)，會(huì)影響溶劑在孔道中的電化學(xué)穩(wěn)定性，從而改變器件工作電壓。

為探究該關(guān)系，作者們選取Mg²⁺（陰離子TFSI^–）、小介孔碳（介孔孔徑3-10 nm）、二甲氧基乙烷溶劑為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)Mg²⁺的強(qiáng)溶劑化作用能顯著提升溶劑在小介孔中的氧化穩(wěn)定性，并削弱陰離子對(duì)溶劑電化學(xué)穩(wěn)定性的不利影響。它們組成的對(duì)稱鎂離子超級(jí)電容器可達(dá)到4 V的穩(wěn)定工作電壓，獲得了106 Wh/kg的能量密度與11870 W/kg的功率密度。

透過超級(jí)電容器的透明外殼可以看到小介孔碳正負(fù)極。漂浮在兩電極間、帶紅球的分子模型代表二甲氧基乙烷溶劑。從遠(yuǎn)處綿延而來的黃色小球?yàn)镸g²⁺。中間發(fā)光的點(diǎn)可能象征揭示三者作用關(guān)系真相，對(duì)應(yīng)研究主題。

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鋰離子電池負(fù)極材料

四川大學(xué)劉文博教授課題組報(bào)道了一種核殼結(jié)構(gòu)的鋰離子電池負(fù)極材料。該材料以銅網(wǎng)為基底和原料，經(jīng)熱處理、柯肯達(dá)爾（Kirkendall）效應(yīng)、酸蝕處理，形成SnO₂殼、Cu顆粒核的納米棒結(jié)構(gòu)。Cu顆粒在殼內(nèi)且數(shù)量多，與殼一起形成類似豌豆莢的形狀。

豆莢結(jié)構(gòu)有利于提升電極儲(chǔ)電性能。SnO₂空心殼結(jié)構(gòu)容納SnO₂鋰化過程的膨脹體積；內(nèi)部Cu顆粒提升電極整體導(dǎo)電性，便于電子向電極內(nèi)部傳導(dǎo)；“豆莢”生長(zhǎng)于銅網(wǎng)上，堅(jiān)固不易脫落。

實(shí)測(cè)電極初始可逆電容量高達(dá)5.80 mAh/cm²；1 mA/cm²電流密度下充放電200圈后，容量保持率66.7%，庫倫效率近100%。

背景中水晶骨架網(wǎng)絡(luò)代表銅網(wǎng)，其上生長(zhǎng)SnO₂-Cu“豆莢”。近處一“豆莢”打開，展示了內(nèi)部結(jié)構(gòu)：綠色莢殼為SnO₂，金黃色豆為Cu。散落Cu顆粒旁邊的剔透小球疑似水分子，是合成步驟中酸蝕過程的產(chǎn)物之一。

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