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各類二次電池電極材料最新研究成果精選

2017-10-18 14:39:41 作者：本網(wǎng)整理來源：材料人分享至：

電極材料在電池中是重要的組成部分，提升材料的容量、循環(huán)壽命將對全電池的性能的提升十分關(guān)鍵。本篇匯總將帶大家閱覽近期各類二次電池材料的最新研究進展。

1.Adv. Energy. Mater.:源于相界面增強贗電容的鎳基復(fù)合物用于電化學(xué)儲能。

近日，來自中山大學(xué)的宋樹芹教授和童葉翔教授（共同通訊作者）報道了一種采用鎳基前驅(qū)液在氨氣和硫中退火，生成了Ni?3N@Ni3S2納米片復(fù)合物，用于鋰離子電池的負(fù)極材料。該復(fù)合物由許多Ni?3N和Ni3S2組成（ Ni3N具有高贗電容特性，N3S2具有擴散控制的良好性質(zhì)），兩者之間的相界面組成了Ni?3N-Ni3S2的n-p型異質(zhì)結(jié)提供了額外的活性位點。另外，在整個電極體系中，Ni3N作為基底能有效地緩解Ni3S2的體積膨脹和粉化，促進了電子傳輸，增強了電容貢獻和倍率性能。Ni3S2穩(wěn)定體分散在Ni3N界面，維持了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，貢獻了擴散控制的容量。這為構(gòu)建不同材料之間的表面晶格失配創(chuàng)造充足的活性位點提供了思路。

2.Adv. Energy. Mater.:富鎳層狀結(jié)構(gòu)正極材料的新視角分析。

隨著LiMO?2（M=Ni, Co, Mn）層狀體系材料中Ni含量的增加，鋰電池正極的也因此獲得高容量。因此研究Ni在層狀結(jié)構(gòu)材料中的主要作用顯得十分重要。近日，來自成均館大學(xué)的Won-Sub Yoon教授（通訊作者）對Co修飾的NCM材料進行HRPD精修，發(fā)現(xiàn)鋰離子遷移的真實環(huán)境與chex.-晶格常數(shù)并沒有太大關(guān)聯(lián)，這與之前的人們的認(rèn)識并不相同。盡管chex.-晶格常數(shù)在減少，但是間晶片的厚度隨著Ni含量的增加變得更寬。而且，雖然在去插層狀態(tài)下c-軸晶粒坍塌，鋰離子傳輸通道卻仍然保留。從原位XRD結(jié)果得知，高Ni含量的材料擁有更流暢的相轉(zhuǎn)換和更少的晶格失配，這可以促進了鋰離子的運輸。總之，高Ni含量的NCM體系材料提供了優(yōu)越的電化學(xué)、結(jié)構(gòu)特性和熱穩(wěn)定性，這些發(fā)現(xiàn)啟發(fā)了人們設(shè)計下一代高能量電極材料。

3.ACS Nano:快充型高容量瀝青-金屬鋰電池。

近日，來自萊斯大學(xué)的James M. Tour教授用一種簡單的方法制備了源于瀝青的超高比表面積的多孔碳用于鋰電池負(fù)極。為了提高瀝青的導(dǎo)電性，混合了石墨烯納米帶，并且復(fù)合物都通過電沉積法完好地涂覆上金屬鋰。通過SEM圖分析可知，鋰枝晶的形成被抑制了，循環(huán)超過500次庫倫效率仍有96%，循環(huán)穩(wěn)定性優(yōu)異。該電極能在20mA cm-2高電流密度下工作，能在高功率密度下快速充放電。將瀝青-石墨烯納米帶-金屬鋰復(fù)合負(fù)極和硫化的碳正極結(jié)合制備成全電池，將有望在未來快充電池領(lǐng)域大放異彩。

4.Adv. Energy. Mater.:4V鈉嵌入型材料用于新型鈉離子負(fù)極。

鈉離子電池有望成為鋰離子電池的替代品。近日，滑鐵盧大學(xué)的Linda F. Nazar教授報道了一種利用不同的中間吸電子多陰離子硒官能團，合成了一種新型正極材料Na?2Co2（SeO3）3，其中的Co2+/Co3+氧化還原對具有高氧化還原電位，高達4V（v.s. Na/Na+），在鈉離子電池正極為主體的材料中具有最高的電壓。更重要的是，這與液體有機電解液能兼容使用。此外，還用微波水熱法合成了納米結(jié)構(gòu)的Na2Co2（SeO3）3，并與GO結(jié)合使用。經(jīng)過XRD、XPS和溫度-磁化率測試，分析了Na2Co2（SeO3）3復(fù)合物的電化學(xué)和結(jié)構(gòu)演變，證明了其具有良好的結(jié)構(gòu)和電化學(xué)可逆性。

5.Adv.Energy.Mater.:Al@C核殼結(jié)構(gòu)納米球雙離子電池。

近日，來自中科院深研院的唐永炳研究員和中科院物理所的谷林教授報道了一種Al@C核殼結(jié)構(gòu)納米球用于鋁基雙離子電池負(fù)極。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)該納米球比起平面電極可以減緩機械應(yīng)力應(yīng)變，從而防止材料粉化。除此以外，由于電子和鋰離子對導(dǎo)電碳層導(dǎo)通性良好，有助于形成穩(wěn)定的SEI膜。Al@C納米球基雙離子電池負(fù)極在15C電流密度下循環(huán)1000次仍有94.6%的容量保持率，擁有卓越的循環(huán)性能。此外，超高的能量密度148Wh kg-1和功率密度3701W kg-1都超過了大部分商業(yè)化鋰離子電池，具有廣闊的實際應(yīng)用前景。

6.Adv.Funct.Mater.:CoS量子點納米晶簇用于高能量密度鉀離子電池。

近日，來自伍倫貢大學(xué)的陳俊教授和郭再萍教授報道了一種通過簡單兩步水熱法將CoS量子點納米晶簇均勻地生長在石墨烯納米片上的復(fù)合物。CoS量子點和和石墨烯納米片賦予復(fù)合物高比表面積和良好導(dǎo)電性網(wǎng)絡(luò)。除此，界面良好接觸增強了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，保證了鉀離子在循環(huán)過程中的嵌入脫嵌循環(huán)過程的穩(wěn)定。構(gòu)建的CoS@G-25負(fù)極用于鉀離子電池，在500mA g-1電流密度下循環(huán)100次仍有310.8mA g-1的容量。此外，與鈉離子電池相比，鉀離子電池有更好的倍率性能，這意味著CoS@G-25電極在鉀離子電池中的高能量密度。

7.Nano Energy:低過電勢高倍率的無定型LiO2基Li-O2電池。

Li-O2電池由于具有超高能量密度被認(rèn)為是下一代有前途的動力能源，但是其中放電產(chǎn)物的低導(dǎo)電性和過高的過電勢（約1.5V）影響了其倍率特性。近日，中科院材料科學(xué)與光電子技術(shù)學(xué)院的劉向峰教授報道了一種基于形成和分解無定型LiO2從而獲得循環(huán)性能的Li-O2電池。在3D多孔Pd-rGO混合結(jié)構(gòu)的催化下，由于較低的氧化電勢和無定型LiO2薄膜的快速離子電導(dǎo)率，電池具有超低的過電勢（約0.3V），長循環(huán)壽命和高倍率性能。這一研究為解決Li-O2電池關(guān)鍵問題提供了新思路。

8.Nano Energy:可充電鐵空氣電池及其納米尺度鐵負(fù)極氧化還原機理分析。

近日，來自德國尤里希研究所、德國亞琛工業(yè)大學(xué)的Henning Weinrich教授和橡樹嶺國家實驗室的Nina Balke教授用原位EC-AFM顯微鏡研究了0.5M KOH中平面鐵負(fù)極的表面，得到了形貌與電化學(xué)過程之間的相關(guān)變化。該研究表明，從氧化還原層形成的角度，鐵電極表面的變化是雙重的。一方面，鐵離子不斷發(fā)生的氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生了納米尺度粒子，這些粒子在鐵電極的氧化反應(yīng)和還原反應(yīng)過程中都有生成。另一方面，與在氧化反應(yīng)中粒子生長一樣，薄且均勻的層狀物在鐵表面上形成，并在進一步的陽極反應(yīng)中最終鈍化金屬鐵電極，但是該鈍化的鐵電極是不可逆的。該文章深入地探究了在堿性介質(zhì)中鐵反應(yīng)活性，并且提供了很多有關(guān)鐵負(fù)極表面過程的詳細(xì)數(shù)據(jù)，可用于探究鐵基電池的性能。

9.Nat.Commun.:面邊緣無定型硅納米層活化石墨用于鋰電快充。

隨著動力電池的日益普及，人們對快充的需求日益劇增。近日，來自韓國蔚山國立科技研究所和韓國釜慶大學(xué)的Minseong Ko教授和Jaephil Cho教授報道了一種用鎳催化加氫反應(yīng)和C?2?H2和SiH4氣體進行CVD沉積的方法合成了面邊緣活化石墨和a-Si納米層。通過最小化比表面積，動力學(xué)過程增強了，提高了首次庫倫效率。此外，Ni納米粒子作為活化反應(yīng)的催化劑，提高了材料的導(dǎo)電性。并且，盡管發(fā)生了催化加氫反應(yīng)，外部的石墨殼層仍然作為支撐框架維持高機械強度，而致密核層維持者復(fù)合物的振實密度，從而提高了復(fù)合物的能量密度。電極的負(fù)載量高達3.4mAh cm-2，電極能量高達1.6g cm-3，半電池測試首次庫倫效率高達93.8%，比電容525mAh g-2，50次循環(huán)仍量保持率仍有99.3%。高電流密度（10.5mA cm-2）和10倍傳統(tǒng)石墨的鋰容量（相對穩(wěn)定電壓下）在未來可充電電池中有廣闊應(yīng)用前景。

10.Sci Adv.:微結(jié)構(gòu)控制新型插入層狀鈦鈮酸鹽用于大量可逆d空間簡易鈉離子吸收。

近日，來自漢陽大學(xué)的Taeseup Song教授和Ungyu Paik教授聯(lián)合韓國科學(xué)技術(shù)研究所和虛擬實驗公司報道了一種通過溶劑熱法和控制煅燒溫度制備層狀H0.43Ti0.93Nb1.07O5（HTNO）用于鈉離子電池負(fù)極，該母體化合物KTNO設(shè)計成有（200）平面和2D離子運輸軌道。HTNO具有合適的插層空間（約0.83nm）和合適的2D離子軌道運輸鈉離子。HTNO電極有可逆的220mAh g-2，150次循環(huán)仍有91%容量保持率，以及5C下43%電容保持量的高倍率特性。DFT計算表明，由于合適的鈉離子運輸軌道的開放，鈉離子在[010]方向的最低的擴散能量壁壘為0.19eV。

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