顶刊动态|各类储能电池大放异彩【新能源周报第21期】


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。本期新能源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

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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

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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 TiO2 tuned 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

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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科技大学林孟昌教授等(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

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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

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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。Co0.5Fe0.5S2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

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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

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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

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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(NixMnyCoz)O2@LiFePO4改善高电压循环稳定性

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图9. 核壳结构Li(NixMnyCoz)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(NixMnyCoz)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(NixMnyCoz)O2@LiFePO4 Enhances 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

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图10. 各种中空微/纳米结构储硫材料示意图

储硫材料的选择是影响锂硫电池性能的关键因素。的o Lett.,中c016/09/10-献Sett.6b02意c025.'4J.caiu.金")om/2016/09/6-1-300x176.png 300w" s素。的o Lett.,中c016/09/1N5响"colorng>纳电Set米结构的设材料的选择是影响锂g>1.Aligned Li+rscup> Ten/ass="nam池技llassng 600pxee/c6ee02364a#!divAUsed in LROI: 1al de">

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