1. 侴術(shù)雷/Andreu Cabot等AEM: 當(dāng)NbSe2遇到C2N, 超長壽命鋰硫電池誕生了！
多硫化鋰（LiPS）的穿梭效應(yīng)和緩慢的轉(zhuǎn)化動力學(xué)阻礙了鋰硫電池（LSB）的實際應(yīng)用。盡管硒化鈮 (NbSe2 ) 具有高電位，且在眾多電催化反應(yīng)中引起了廣泛關(guān)注，但尚未被研究作為LSB中的正極主體材料。
在此，西班牙加泰羅尼亞能源研究所Andreu Cabot教授、張超琦博士以及澳大利亞伍倫貢大學(xué)侴術(shù)雷教授、美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校Jiaao Wang等人報道提出了一種具有顯著比表面積的原位生長C2N@NbSe2異質(zhì)結(jié)構(gòu)，作為Li-S電池催化劑和LiPS吸收劑。DFT計算和實驗結(jié)果表明，C2N@NbSe2具有合適的電子結(jié)構(gòu)和電荷重排，從而有力地促進了LiPS的電催化轉(zhuǎn)化。此外，C2N@NbSe2異質(zhì)結(jié)與LiPS物質(zhì)發(fā)生強烈的相互作用，將其限制在正極上。
因此，基于C2N@NbSe2/S的LSBs正極在0.1 C下表現(xiàn)出1545 mAh g-1的高初始容量。此外，C2N@NbSe2正極具有令人印象深刻的循環(huán)穩(wěn)定性，在3 C下進行 2000次循環(huán)后，每個循環(huán)只有0.012%的容量衰減。即使在5.6 mg cm-2的硫負載下，也提供了5.65 mAh cm-2的高面積容量。這些結(jié)果表明C2N@NbSe2異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以作為多功能多硫化物介體化學(xué)吸附LiPS，加速鋰離子擴散，化學(xué)催化LiPS轉(zhuǎn)化，降低Li2S沉淀/分解的能壘，實現(xiàn)多硫化物的“吸附-擴散-轉(zhuǎn)化”。
NbSe2 Meets C2N: A 2D-2D Heterostructure Catalysts as Multifunctional Polysulfide Mediator in Ultra-Long-Life Lithium-Sulfur Batteries, Advanced Energy Materials 2021. DOI: 10.1002/aenm.202101250
2. 廈大楊勇/王鳴生Nat. Common.: 設(shè)計Na+層間距用于穩(wěn)定鈉離子電池的Mn基層狀正極
層狀過渡金屬氧化物是鋰/鈉/鉀離子電池最重要的正極材料，抑制充放電過程中的不良相變是合理設(shè)計高性能層狀氧化物正極的關(guān)鍵和根本挑戰(zhàn)。
在此，廈門大學(xué)楊勇教授、王鳴生教授等人報告了一種類似頁巖的NaxMnO2 (S-NMO) 電極，該電極源自一種簡單但有效的水介導(dǎo)策略。該策略擴大了P2型 Na0.67MnO2的Na+層間距，并將顆粒轉(zhuǎn)變?yōu)槭诛L(fēng)琴狀形態(tài)。在沒有任何進一步的電極/電解液改進的情況下，S-NMO具有181 mAh g-1的高比容量，在0.1 C下100次循環(huán)后沒有明顯的容量衰減，具有出色的倍率性能，以及3000次循環(huán)的長循環(huán)穩(wěn)定性，容量保持率為83%。
原位同步X射線衍射（XRD）和非原位魔角旋轉(zhuǎn)核磁共振（MAS NMR）結(jié)果表明，S-NMO電極在充放電過程中沿c軸呈現(xiàn)零應(yīng)變特性，體積變化量僅為1.96%。此外，水介導(dǎo)的策略對其他層狀氧化鈉也是可行的，并且所獲得的 S-NMO電極對濕度具有極好的耐受性。這項工作表明，設(shè)計堿金屬層的間距是穩(wěn)定層狀過渡金屬氧化物結(jié)構(gòu)的有效策略。
圖2. S-NMO的結(jié)構(gòu)演化機制
Engineering Na+-layer spacings to stabilize Mn-based layered cathodes for sodium-ion batteries, Nature Communications 2021. DOI: 10.1038/s41467-021-25074-9
3. 康飛宇/翟登云等EnSM: 醚基電解液的表面化學(xué)調(diào)控實現(xiàn)高度穩(wěn)定的鉀金屬電池
可充電K金屬電池 (PMB) 仍然缺乏對高反應(yīng)性K負極和4 V級正極均穩(wěn)定的合適電解液，雖然經(jīng)典的雙（氟磺酰基）酰胺鉀 (KFSI) 基醚電解質(zhì)對K金屬具有良好的還原穩(wěn)定性，但由于其氧化穩(wěn)定性有限，通常僅用于<4.0 V PMB。
在此，清華-伯克利深圳學(xué)院康飛宇教授、清華深圳研究生院翟登云副教授以及美國加州大學(xué)北嶺分校Kah Chun Lau等人首次報道了在中等濃度 (2.3 M) KFSI/1,2-二甲氧基乙烷 (DME) 電解液中添加少量KNO3（50 mM），并將其用于4V級PMB。高壓普魯士藍 (PB) 正極和 K負極均具有優(yōu)異的循環(huán)性能。
含KNO3的DME電解液（Ether-KNO3）有助于形成富含N/F物種的穩(wěn)定SEI 層，從而能夠在高電流密度下進行致密的K沉積。同時，還提高了氧化穩(wěn)定性（> 4.3 V）和抗Al腐蝕性，最終實現(xiàn)了122天（1000次循環(huán)）電池壽命的高度穩(wěn)定的4 V級PMB。這項工作提供了對 K沉積電化學(xué)和硝酸鹽添加劑家族的更好理解，并為4 V級 PMB的開發(fā)鋪平了道路。
圖1. Ether-KNO3的電化學(xué)特性
Highly Stable Potassium Metal Batteries Enabled by Regulating Surface Chemistry in Ether Electrolyte, Energy Storage Materials 2021. DOI: 10.1016/j.ensm.2021.08.013
4. 晏成林/錢濤ACS Nano: 打破常規(guī)，-60℃！全液相反應(yīng)機制的低溫鋰硫電池
鋰硫電池有望在低溫度下具有高容量保持率，成為未來低溫二次電池的主力軍，然而其面臨著放電過程中從Li2S4到Li2S的固-固轉(zhuǎn)化動力學(xué)緩慢的問題。
在此，蘇州大學(xué)晏成林教授、錢濤副研究員等人受首個可在室溫和低溫下均提供容量的放電平臺機制的啟發(fā)，提出了一種全液相反應(yīng)機制。作者將烯丙基甲基二硫化物 (AMDS) 添加到常規(guī)電解液中。元素硫首先與AMDS反應(yīng)形成三硫化物，然后直接還原為最終產(chǎn)物。光譜研究和分子動力學(xué)模擬共同證實所有放電中間體都可溶于電解液。這種機制繞過了緩慢的“固體到固體”反應(yīng)路線，有利于快速的液相反應(yīng)途徑，導(dǎo)致電極反應(yīng)活化能的急劇下降。此外，AMDS 的引入還調(diào)節(jié)了Li2S的沉積形式，緩解電極鈍化并促進硫氧化還原動力學(xué)。
此外，AMDS中的一些烯丙基可以通過自由基聚合交聯(lián)在鋰負極上形成均勻的膜，從而實現(xiàn)無枝晶鋰負極并抑制溶解的中間擴散和鋰負極上的還原。總體而言，與25°C 時相比，該電池在-40°C時可保持78.2% 的容量，并在-60°C 時正極實現(xiàn)1563 mAh g-1的超高比容量。這項工作為開發(fā)低溫鋰硫電池提供了一種策略。
圖1. Li-S電池中相轉(zhuǎn)換的示意圖
圖2. AMDS改性電解液的低溫電化學(xué)性能
All-Liquid-Phase Reaction Mechanism Enabling Cryogenic Li-S Batteries, ACS Nano 2021. DOI: 10.1021/acsnano.1c05875
5. Stefano Passerini教授最新ACS Energy Lett.: 這種氟化物基人工中間相，實現(xiàn)可逆的鋅負極！
鋅電池最近作為能量存儲設(shè)備引起了人們的極大興趣。然而，由于在溫和 pH 值電解液中副反應(yīng)和枝晶的生長，鋅負極的不可逆過程限制了它們的壽命。
在此，德國烏爾姆亥姆霍茲研究所（HIU）Stefano Passerini教授以及Alberto Varzi等人受ZnF2作為 SEI 組分的有前途的特性的啟發(fā)，開發(fā)了在Zn金屬負極表面上的人工ZnF2層來解決上述問題。作者通過精心設(shè)計的制備方法可以在相對較低的溫度下通過簡單的化學(xué)反應(yīng)獲得均勻、薄且單面的ZnF2薄膜。建模表明，ZnF2為Zn2+離子通過間隙擴散機制向/從Zn負極傳輸提供擴散通道，且ZnF2人工中間相被證實是厚度約為1 μm的均質(zhì)多孔層。
在電化學(xué)沉積時，Zn似乎均勻地擴散通過ZnF2薄膜并沉積在下面，這限制了鋅金屬和電解液之間的枝晶生長和副反應(yīng)，對Zn負極具有顯著的保護作用。因此，Zn/Zn-ZnF2對稱電池在0.5 mAh cm-2的面積容量下可維持長期循環(huán)（超過 700 小時），Zn-ZnF2 /MnO2全電池在3000次循環(huán)后容量保持率為89%，且CE高于99%，這都證實了Zn-ZnF2負極的優(yōu)越性。
圖2. Zn-ZnF2 /MnO2全電池的電化學(xué)性能
A Thin and Uniform Fluoride-Based Artificial Interphase for the Zinc Metal Anode Enabling Reversible Zn/MnO2 Batteries, ACS Energy Letters 2021. DOI: 10.1021/acsenergylett.1c01249
6. 電池大牛Arumugam Manthiram最新EES: 揭示可充電電池中硫?qū)僭卦蝗〈嗔蚧锏挠绊?/strong>
硫化合物的化學(xué)性質(zhì)是包括鋰硫 (Li-S) 電池在內(nèi)的幾種有前途的下一代可充電電池化學(xué)物質(zhì)的核心。在鋰硫電池中，多硫化物中間體的形成和穿梭通常被認為是實現(xiàn)其實際可行性的主要障礙。
在此，美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校Arumugam Manthiram教授等人比較了硫?qū)僭兀ㄎ晚冢┰诙嗔蚧镦溨械娜〈⒆C明了它們對Li-S電池化學(xué)的有益影響。研究表明，硒取代的多硫化物由于優(yōu)先生成自由基中間體而有效催化硫/Li2S轉(zhuǎn)換反應(yīng)，從而提高了正極利用率，碲取代的多硫化物通過在鋰表面形成具有低Li+離子擴散勢壘的鈍化界面層來提高鋰循環(huán)效率。
這種基于多硫化物“分子工程”并利用內(nèi)在多硫化物穿梭效應(yīng)的非常規(guī)策略得到了驗證，將貧電解液無負極軟包鋰硫電池的循環(huán)壽命提高了10倍。此外，無負極配置最大限度地提高了能量密度，減輕了處理薄鋰箔的挑戰(zhàn)，并消除了電池組裝時的自放電。硒和碲化學(xué)差異之間產(chǎn)生的見解可廣泛用于金屬硫?qū)僭仉姵匾约傲驅(qū)僭鼗锕腆w電解質(zhì)的研究。
圖1. 貧電解液無負極軟包鋰硫電池的電化學(xué)性能
圖2. XPS及飛行時間二次離子質(zhì)譜 (ToF-SIMS) 測試結(jié)果
Implications of in-situ chalcogen substitutions in polysulfides for rechargeable batteries, Energy & Environmental Science 2021. DOI: 10.1039/D1EE01113H
7. 張躍鋼/郭晶華EnSM: 含氯化物電解液的鎂硫電池中Ag催化劑的可逆功能轉(zhuǎn)換
鎂金屬負極不會在大多數(shù)有機電解質(zhì)中形成枝晶，儲量豐富且比鋰更具化學(xué)惰性。以高體積容量的鎂為負極，硫為正極的鎂硫（Mg/S）電池具有比最先進的鋰離子電池提供更高能量密度的巨大潛力，但由于MgS難以再氧化導(dǎo)致可逆性差，其容量衰減快。
為此，中科院蘇州納米所張躍鋼教授與美國勞倫斯伯克利國家實驗室郭晶華教授等人在含Cl –電解質(zhì)的Mg/S 電池中使用Ag 催化劑，并實現(xiàn)了~1200 mAh?g-1的比容量和100次循環(huán)的長循環(huán)壽命的顯著提高。為了了解這種改進背后的機制，作者采用原位同步輻射X射線衍射（SR-XRD）和原位X射線吸收光譜（XAS）來研究充電/放電循環(huán)過程中的可逆相變。
原位實驗結(jié)果表明，在深度充電狀態(tài)，與Ag反應(yīng)的Cl –在電解液中形成 AgCl 界面層，防止Ag與元素S的物理接觸并避免形成Ag2S；在早期放電狀態(tài)下，AgCl 轉(zhuǎn)化回金屬Ag，這保證了其對MgS分解的催化效果。Ag催化劑的這種可逆功能切換機制與使用其他催化劑或電解液的Mg/S電池完全不同，這一發(fā)現(xiàn)可能會導(dǎo)致在未來的Mg/S電池中更好地設(shè)計S@Ag正極。
Reversible Function Switching of Ag Catalyst in Mg/S Battery with Chloride-Containing Electrolyte, Energy Storage Materials 2021. DOI: 10.1016/j.ensm.2021.08.009
8. 張一衛(wèi)/楊勇EnSM: 柔性Li-CO2電池的Co摻雜CeO2 /石墨烯氣凝膠自支撐正極
目前Li-CO2電池研究集中在探索用于有效還原CO2和分解Li2CO3的高性能、低成本的電催化劑。過渡金屬氧化物 (TMO) 因其具有競爭力的循環(huán)穩(wěn)定性和低成本而受到廣泛關(guān)注，然而TMOs的主要問題是其固有的導(dǎo)電性差，CO2吸附能力不足，微觀形貌不能充分暴露活性位點，影響了Li-CO2電池的性能。
為此，東南大學(xué)張一衛(wèi)教授與南京理工大學(xué)楊勇副教授等人通過將2D鈷摻雜CeO2納米片直接錨定在石墨烯氣凝膠上，繞過添加粘結(jié)劑和復(fù)雜的制造過程，制備了用于 Li-CO2電池的多孔自支撐正極。CeO2和Co3O4的結(jié)合通過強耦合納米界面導(dǎo)致電子結(jié)構(gòu)的重組，增強了Li2CO3的可逆形成和分解。同時獨特的多孔結(jié)構(gòu)有利于CO2和電解液在Li-CO2電池中的擴散。
組裝后的 Li-CO2電池具有出色的放電容量（7860 mAh/g）和具有競爭力的循環(huán)穩(wěn)定性（>100次循環(huán)）。此外，作者開發(fā)了具有獨立正極的柔性 Li-CO2電池，可在多角度彎曲和折疊過程中提供穩(wěn)定的功率輸出，通過DFT計算詳細揭示了改進的電導(dǎo)率、CO2吸附能力和電化學(xué)反應(yīng)途徑。這項工作為開發(fā)用于可穿戴電子設(shè)備的先進且靈活的 Li-CO2電池提供了新思路。
圖2. 柔性Li-CO2電池點亮LED及其循環(huán)性能
Electron Structure and Reaction Pathway Regulation on Porous Cobalt-Doped CeO2/Graphene Aerogel: A Free-Standing Cathode for Flexible and Advanced Li-CO2 Batteries, Energy Storage Materials 2021. DOI: 10.1016/j.ensm.2021.08.006
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