金属离子电池前沿研究成果精选【第2期】

1、ACS Nano：锂自放电及其预防：通过原位电化学扫描透射电子显微镜直接观察

为了解锂离子电池正极金属锂沉积形态的机制，美国桑迪亚国家实验室 Katherine L. Jungjohann（通讯作者）团队通过纳米级原位电化学扫描透射电子显微镜（EC-STEM）和宏观-细胞电化学实验，实现了可直接观察锂金属沉积和剥离行为。与其他具有相同电解质的纽扣电池研究相反，该实验揭示了在原位观察期间低的库仑效率和不均匀的Li形态。得出的结论是，这种库仑效率和Li沉积物形态的差异取决于压缩锂分离器界面的存在，正如已经通过宏观（而不是透射电子显微镜）电化学实验所证实的那样。数据表明，电池压缩改变了固体电解质界面形成的方式，这可能是压缩形态和库仑效率改善的原因。此外，在原位EC-STEM实验期间，观察到了溶剂化电解质（处于电隔离状态）的纳米级自放电的直接证据。这种自放电在宏观上是重复的，但是在电极压缩时这种自放电不明显，这可能是由于在压缩时形成了更耐腐蚀的固体电解质界面。

文献链接：Lithium Self-Discharge and its Prevention: Direct Visualization through In-Situ Electrochemical Scanning Transmission Electron Microscopy（ACS Nano,2017,DOI:10.1021/acsnano.7b05513）

2、ACS Nano：硅纳米粒子阳极中嵌锂/脱锂的拉曼光谱和同步辐射X射线衍射

拉曼光谱和同步辐射X射线衍射相结合，可以探索晶体硅纳米粒子制成的锂离子电池阳极应变的演变。通过分析Si衍射峰和拉曼TO-LO声子的强度和位置来评估在两个放电/充电循环期间纳米颗粒的内部结构。硅在有限容量下的嵌锂/脱锂触发了“晶核-无定形壳”颗粒的形成，格勒诺布尔大学Sandrine Lyonnard（通讯作者）等人证明这是由于核心尺寸的逐步减小，以及由壳体施加的应力引起的压缩/拉伸应变引起的。特别地，由于不同的锂化过程，在首次和第二次循环中出现了不同的序列。由于嵌锂和脱锂Si的不同导热性该团队进一步明确了准确操作拉曼光谱测量的关键实验条件。最后，研究还使用简单的力学模型来估算在晶核上施加应力的界面壳的亚纳米厚度。

文献链接：Operando Raman Spectroscopy and Synchrotron X-Ray Diffraction of Lithiation/Delithiation in Silicon Nanoparticle Anodes（ACS Nano,2017,DOI:10.1021/acsnano.7b05796）

3、Advanced Materials：可图案化锂离子固体电解质的合成与性能

电池片开发的重要考虑因素之一是需要直接在电极上对固体电解质进行光学图案化。近日，加利福尼亚大学洛杉矶分校Bruce Dunn（通讯作者）团队展示了通过用LiClO₄改性的负性光致抗蚀剂SU-8实现锂离子导固体电解质的光图案化。所得到的材料具有52 μS cm^-1的室温离子电导率和宽的电化学窗口（> 5V）。旋涂在非晶硅上的3μm薄膜的半电池恒电流测试验证了其用于能量存储的应用。改性的SU-8具有优异的机械完整性，高达250°C的热稳定性，可以用微米级的分辨率进行光刻。这些结果为电化学储能在微电子学中的研究提供了一个有前景的方向。

文献链接：Synthesis and Properties of a Photopatternable Lithium-Ion Conducting Solid Electrolyte（Adv. Mater. 2017,DOI: 10.1002/adma.201703772）

4、Nano Energy：一种新型二维碳材料——Graphtetrayne的结构与性能

近日，中国科学院北京分子科学国家实验室刘辉彪（通讯作者）团队通过六乙炔基苯与二碘丁二炔的Sonagashira交叉偶联反应，合成了一种新型的二维碳同素异形体——Graphtetrayne（GTY），在苯环之间形成四个乙炔键，形成30-C六边形。这种全碳素材料具有独特的结构特征，丰富的三键和超大空腔结构，不仅化学活性高，而且稳定性高。GTY在室温下显示出优异的导电性3×10^-4 S/m的半导体特性。测得的GTY的最大Li储存容量高达947mAh/g，这是由于高化学活性和超大孔隙的高效离子传输。

文献链接：Architecture and Properties of a Novel Two-Dimensional Carbon Material-Graphtetrayne（Nano Energy,2017,DOI:10.1016/j.nanoen.2017.11.005）

5、Nano Energy：氧化钒包覆二氧化锡纳米线电极用于锂离子电池的机理研究

将组成和结构与电池性能相关联是电极材料设计和改进的关键所在。近日，阿贡国家实验室JianguoWen、北京国家凝聚态物理实验室白雪冬（共同通讯）等人利用原位透射电子显微镜，通过调整嵌锂/脱锂电流研究了氧化钒涂覆的二氧化锡纳米线电极的原位循环速率性能。原位结果表明，这种高容量组成材料的良好速率性能得益于层状氧化钒涂层策略。为了高速循环，层状钒氧化物也作为快速离子和电子传输路线，而锡纳米粒子聚集到表面，其大小受涂层控制，循环引起的体积变化被释放到表面，并且锡纳米颗粒和内部纳米线优异的机械耐受性确保改善电极的可循环性。

文献链接：Rate mechanism of vanadium oxide coated tin dioxide nanowire electrode for lithium ion battery（Nano Energy,2017,DOI:10.1016/j.nanoen.2017.10.059）

6、Nano Energy：具有分层中空结构的ZnO/ZnFe₂O₄/N掺杂的C多面体作为锂离子电池高性能阳极

近日，卡尔斯鲁厄理工学院AlbertoVarzi、StefanoPasserini（共同通讯）等人提出了一种简单，可扩展的双层ZnO/ZnFe₂O₄/N掺杂的具有分层中空结构的C多面体自模板合成方法（ZZFO-C）。这些是通过煅烧单一的双金属有机骨架（MOF）前体（ZIF-ZnFe，摩尔比为3:1）获得的。所得到的材料表现出高表面积并且由许多纳米颗粒子单元（尺寸在20nm范围内）的组织组装而构成。通过调整退火条件，得到了多孔ZnO/ZnFe₂O₄（ZZFO）微多面体。ZZFO-C复合材料作为LIBs的阳极具有显著的储能性能，如可逆容量大，优异的倍率性能和循环稳定性。高速容量测试（2.0 A g^-1 1000次循环）后，ZZFO-C显示出优异的可逆容量——620 mA h g^-1。ZZFO-C的卓越性能来源于其独特的分层中空结构以及两种活性组分和N掺杂碳基质之间的协同作用。

文献链接：ZnO/ZnFe2O4/N-doped C Micro-polyhedrons with Hierarchical Hollow Structure as High-Performance Anodes for Lithium-Ion Batteries（Nano Energy,2017,DOI:10.1016/j.nanoen.2017.11.030）

本文由材料人新能源组Allen供稿，材料牛整理编辑。

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