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沐春风，品储能系列顶刊好文丨开年最新顶刊大合集~

来源：科学10分钟时间：2020-12-02 14:44:08 浏览：4077次

（一）Shizhang Qiao顶刊EES综述：原子尺度改性的过渡金属硫族化合物用于碱金属电池

（一）Shizhang Qiao顶刊EES综述：原子尺度改性的过渡金属硫族化合物用于碱金属电池

在过去的十年间，过渡金属硫族化合物（TMDs）用于碱金属离子电池得到大力发展，然而它们的电化学性能仍然不佳，主要来源于转化反应导致的微结构堆积与破坏。近年来，人们逐渐发现设计不同形貌可成为一种解决办法，这一系列结果也被广泛研究与总结。与此同时，从原子尺度调控TMDs的电化学性能，包括表面缺陷、层间距扩大、相转变、合金化与杂原子掺杂已经被证实是一种有效手段。

然而，通过结构设计及其对碱金属离子电池电化学储能过程中机理的影响尚未被归纳和总结。2020年澳大利亚阿德莱德大学Shizhang Qiao教授与天津大学Naiqing Zhao教授共同在国际顶级期刊EES上撰文，从实验设计和理论模拟的角度综述了原子尺度调控TMDs基复合物用于碱金属离子电池。同时，系统描述了改性手段与电化学性能之间的关系、并阐述了此方向的未来趋势。

综述关键图文：

TMDs基化合物在碱金属离子电池中的储能反应机理

图1 TMDs基化合物在碱金属离子电池中的储能反应机理

以MoS2为例，一个充放电周期后的相转变与微观结构变化

图2 以MoS₂为例，一个充放电周期后的相转变与微观结构变化

不同TMDs和锂离子接触时的结合能变化曲线，以及钠离子和MoS2作用中的相转变

图3 不同TMDs和锂离子接触时的结合能变化曲线，以及钠离子和MoS₂作用中的相转变

文献信息：Transition Metal Dichalcogenides for Alkali Metal Ion Batteries: Engineering Strategies at Atomic Level. Biao Chen, Dongliang Chao, Enzuo Liu, and et al. Energy Environ. Sci., 2020, https://doi.org/10.1039/C9EE03549D.

（二）澳大利亚新南威尔士大学Dawei Wang 课题组2020年EES综述：金属-硫基电池中硫的共价固定作用

澳大利亚新南威尔士大学Dawei Wang 课题组2020年EES综述：金属-硫基电池中硫的共价固定作用

硫是世界上储量丰富的元素，作为一种两电子反应体系，硫在金属-硫电池中发挥重要作用。然而，该类电池的实际应用受到诸如低电导率、硫中间产物流失等问题。通常，科研人员基于物理限制和化学吸附的表面固定法来稳定硫以及促进硫转化反应。

在金属-硫电池中，共价结合硫材料是一种有效而且较为新颖的技术，已经显示出良好的应用前景，此方法可以使得硫和载体之间的分子相互作用增强。2020年1月新南威尔士大学Dawei Wang教授在EES上撰文综述，提出一种共价固定硫的概念，他们提出一种基于共价含硫化合物和复合物之间共价作用，这种电极可用于各种可充电金属-硫电池。

在综述中，他们首先讨论了共价固硫的分类；其次该课题组总结了最先进的基于共价硫的材料及其制备方法。最后，对众所周知的锂硫电池进行重点阐述，其中包括共价硫活性材料的正极，电池的反应机理和材料创新。讨论了诸如Na-S和K-S碱金属硫电池体系中共价固硫的研究进展。该课题组通过综述展望了利用共价固定策略优化硫氧化还原工艺的前景。作者展望时指出，本综述将使共价固定硫受到越来越多的关注。

综述关键图文：

不同温度下硫元素的相转变过程

图1 不同温度下硫元素的相转变过程

物理约束à化学吸附à共价固定的混硫策略演示及原理图示

图2 物理约束à化学吸附à共价固定的混硫策略演示及原理图示

典型的锂硫电池中硫状态随电压和时间变化曲线

图3 典型的锂硫电池中硫状态随电压和时间变化曲线

文献信息：Covalent fixing of sulfur in metal-sulfur batteries. Ruopian Fang, Jiangtao Xu, Da-Wei Wang. Energy Environ. Sci., 2020, https://doi.org/10.1039/C9EE03408K.

（三）中南大学EES综述：有机电极在钠离子电池中的应用

中南大学EES综述：有机电极在钠离子电池中的应用

有机电极材料给高能量-高功率，低成本且环境友好的钠离子电池注入新鲜活力。经过多年的发展，有机电极材料用于钠离子电池尚未被系统开发和实际应用。这主要由于过多研究经验都放在了无机系列的电极材料的开发，因为这些无机材料在锂离子电池中应用的可行性已经得到了充分验证。

随着近年来对有机电极在钠离子电池中的实践和文章数量激增，中南大学Haiyan Wang教授和Xiaobo Ji教授在EES上撰文，首次针对不同种类的有机材料的储纳机理进行综述。作者相信从深入了解氧化还原电对反应的机理开始，对开发新型钠离子电池用有机电极材料具有重要指导意义，也对现有化合物的性能增强是有益的。

综述关键图文：

从1985年到2019年间的钠离子电池有机电极发展历史

图1 从1985年到2019年间的钠离子电池有机电极发展历史

几种增强钠离子电池有机电极性能的方法

图2 几种增强钠离子电池有机电极性能的方法

几种有机化合物电极材料的比容量和储纳电压对比

图3 几种有机化合物电极材料的比容量和储纳电压对比

文献信息：Understanding the Sodium Storage Mechanisms of Organic Electrodes in Sodium Ion Batteries: Issues and Solutions. Ranjusha Rajagopalan, Yougen Tang, and et al. Energy Environ. Sci., 2020, https://doi.org/10.1039/C9EE03637G.

（四）华盛顿大学曹国忠/北京科技大学田建军Advanced Materials综述：可充电电池和钙钛矿太阳能电池中活性材料的表界面调控

华盛顿大学曹国忠/北京科技大学田建军Advanced Materials综述：可充电电池和钙钛矿太阳能电池中活性材料的表界面调控

材料的表界面研究一直是能源转化与储存领域的热点。当今世界对清洁可持续能源的需求不断增长，推动了世界范围内对能源转换和储能装置的新型活性材料的设计和开发的巨大投资。因此设计不同材料之间的表界面是实现高能量密度电池和高效太阳能电池的最可靠和最佳研究途径之一。

对于可充电电池研究来说，其主要通过电极和电解质之间的界面上的氧化还原反应来实现电能和化学能的可逆转换；而金属卤化物钙钛矿太阳能电池（PSC）是最有前途的光伏材料之一，其功率转换效率（PCE）在不到10年内飙升至超过25%，这种进展主要是通过控制结晶度和表面/界面缺陷实现的。因此表界面在上述两种器件中的存在重要性是显而易见的。

基于此，北京科技大学田建军教授联合华盛顿大学曹国忠教授课题组对这些器件中活性材料的界面和界面间的形成和功能进行了重点讨论和关键分析，并描述了用于克服当前挑战的前瞻性策略。这些策略主要围绕着控制RBs和PSCs的各种界面的化学成分、缺陷、稳定性和钝化。

综述关键图文：

液态和固态锂离子电池的结构模型，电池中能量密度和能量效率示意图

图1 液态和固态锂离子电池的结构模型，电池中能量密度和能量效率示意图

固体和液体的界面接触模型，电解液和电池中能级示意图

图2 固体和液体的界面接触模型，电解液和电池中能级示意图

文献信息：Interphases,Interfaces, and Surfaces of Active Materials in Rechargeable Batteries andPerovskite Solar Cells. ChaofengLiu, Jifeng Yuan, Robert Masse, and et al. Advanced Materials. 2020, DOI: 10.1002/adma.201905245, https://doi.org/10.1002/adma.201905245.

（五）Oliver G. Schmidt 等人Energy Storage Materials: 芯片上具有超高区域能量密度的3D叉指微型超级电容器

Oliver G. Schmidt 等人Energy Storage Materials: 芯片上具有超高区域能量密度的3D叉指微型超级电容器

微型化电子产品，如可穿戴设备、无线微传感器、微/纳米机器人、植入式医疗设备和微机电系统等的巨大进步，对小型、柔性、轻便和高性能的储能设备提出了迫切的要求。具有三维（3D）纳米结构的高性能微型超级电容器（MSCs）具有改善储能性能的巨大潜力，被认为是智能微电子的理想独立电源。

基于此，Oliver G. Schmidt教授课题组将Cu_0.56Co_2.44O₄@MnO₂核-壳纳米管和碳纳米管通过一种快速，方便和可扩展的方式集成到一个3D混合非对称MSC中。由于3D电极和活性材料的分层结构，该混合MSC在3.2 mA cm⁻²时的比表面积电容为665.3 mF cm⁻²，在8000次循环后的容量保持率为89.8%，具有良好的循环性能。

同时，MSC还显示出182.3 μWh cm⁻²的超高能量密度，该能量密度几乎高于以前报告的所有能量密度值。此外，MSCs与太阳能电池和LED的集成实现了可持续能源的转移，存储和使用，显示出在小型化智能电子产品中的巨大潜力。该制造方法可以为构造用于小型电子设备中的各种可集成的高性能能量存储设备开辟新的策略。

文献信息：On-Chip 3D Interdigital Micro-Supercapacitors with Ultrahigh Areal Energy Density. Fei Li, Ming Huang, Jinhui Wang, and et al. Energy Storage Materials, 2020. DOI: 10.1016/j.ensm.2020.01.008.

（六）华北电力大学李美成教授2020年Nano Energy：多功能芳纶纳米纤维助力全固态锂电聚合物电解质

华北电力大学李美成教授2020年Nano Energy：多功能芳纶纳米纤维助力全固态锂电聚合物电解质

作为固体聚合物电解质在锂离子电池中应用的瓶颈，离子电导率和机械稳定性两个是需要考虑的因素。基于此，华北电力大学的李美成教授课题组采用芳香族聚酰胺纳米纤维（ANFs）作为多功能纳米添加剂，利用 ANFs之间的氢键相互作用实现了具有3D ANF网络框架的聚环氧乙烷（PEO）-LiTFSI电解质的制备与应用。ANF与PEO链和TFSI的阴离子之间的氢键相互作用既可以防止ANF的团聚、抑制PEO结晶，也可以促进LiTFSI的离解并延长3D ANF骨架/PEO-LiTFSI界面上的离子传输路径。

因此，经过ANF改性的电解质的室温电导率为8.8×10⁻⁵ S cm⁻¹。归因于3D ANF框架，含ANF的复合电解质还表现出极大的机械强度，热稳定性，电化学稳定性和抑制锂枝晶的能力。基于LiFePO₄和Li作为电极、配以ANF基复合电解质组装的电池可表现出更好的倍率性能和循环稳定性，在0.4 C下100次循环后的容量为135 mAh g⁻¹。该研究提供了一种新颖有效的策略，可以通过在复合电解质设计中采用有机纳米填料来全面升级的聚合物电解质，并揭示离子输运机制，从而有望实现全固态锂离子电池应用。

文献信息：. Comprehensively-upgraded polymer electrolytes bymultifunctional aramid nanofibers for stable all-solid-state Li-ion batteries. LehaoLiu, Jing Lyu, Jinshan Mo, and et al. Nano Energy, 2020. DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.104398.

（七）江苏师范大学Chao Lai教授 2020年ACS Nano：MXene界面层助力高载量锂碘电池稳定性

江苏师范大学Chao Lai教授 2020年ACS Nano：MXene界面层助力高载量锂碘电池稳定性

随着人们生活的进步，也对储能系统提出了越来越严格的要求。目前，包含碘正极和锂金属负极的可充电锂碘（Li-I₂）电池有望满足这些需求。这些系统具有较高的工作电压（平均工作电压为2.9 V），较高的理论容量（211 mAh g^-1）和良好的倍率性能。此外，碘的含量极为丰富使锂离子电池比同等电池在经济上更优惠。因而使得锂碘（Li-I₂）电池成为下一代电化学能量存储系统的有希望的候选者。

然而，碘和碘化物的溶解阻碍了它们的实际应用进程。近日，南开大学Jiajie Liang，湖南师范大学Jie Qu和江苏师范大学Chao Lai等人提出了具有三维分层多孔结构的Ti₃C₂Cl_x-MXene泡沫作为Li-I₂电池中的正极-电解质界面层，在高碘含量和高载量下实现了高倍率和极稳定的循环性能。

理论计算和实验表征表明，具有高金属电导率的Ti₃C₂Cl_x-MXene片不仅与I₂形成极强的化学键合以抑制穿梭效应，而且还促进了循环过程中的氧化还原反应。结果表明，即使使用5.2 mg cm^-2的超高载量，使用含70％重量百分比I₂的正极的Li-I₂电池也可以在2 C的倍率下循环1000次不衰减。使用Ti₃C₂Cl_x-MXene界面层可以实现高能Li-I₂电池的构筑和应用。

文献信息：Ti₃C₂T_x MXene Interface Layer Driving Ultra-Stable Lithium-Iodine Batteries with Both High Iodine Content and Mass Loading. Chuang Sun, Xinlei Shi, and et al. ACS Nano, 2020, 14, 1, 1176-1184. DOI:10.1021/acsnano.9b09541.

（八）北京航空航天大学杨树斌教授ACS Nano：锚定单原子Zn的MXene（Ti₃C₂Cl_x）负极用于缓解锂枝晶

北京航空航天大学杨树斌教授ACS Nano：锚定单原子Zn的MXene（Ti3C2Clx）负极用于缓解锂枝晶

随着电子汽车以及便携式电子设备的飞速发展，基于石墨负极的商用锂离子电池（LIB）由于能量密度低而无法满足其要求。锂金属因具有高比容量（3860 mAh g^-1）和低电势（3.04 V vs SHE）成为最有前景的锂离子电池负极材料之一。

然而由于锂离子的不均匀分散，锂负极往往会产生无法控制的枝晶，对锂离子电池的安全操作带来严重的危害。此外，锂体积的无限变化和高化学还原性进一步使固体电解质界面（SEI）膜易碎，消耗锂和电解质。这些问题通常会有损循环稳定性、降低库仑效率和能量密度，从而妨碍了其实际应用。

2002年北京航空航天大学杨树斌教授课题组使用了一种将单个锌原子固定在MXene（Ti₃C₂Cl_x）层（Zn-MXene）上的方法来有效地诱导Li成核和生长。在最初的沉积阶段，由于存在大量的锌原子，锂倾向于在Zn-MXene层的表面上均匀地成核，然后由于边缘处存在一种被称作“避雷针”的效应，即沿着成核的位置垂直生长，从而形成没有锂枝晶的碗状锂。因此，通过使用Zn-MXene膜作为锂负极，可获得11.3±0.1 mV的低过电势，长的循环寿命（> 1200 h）以及高达40 mAh cm^-2的深度剥离-沉积水平。

文献信息：Single Zinc Atoms Immobilized on MXene (Ti₃C₂Cl_x) Layers toward Dendrite-Free Lithium Metal Anodes. Jianan Gu, Qi Zhu, Yongzheng Shi, and et al. ACS Nano 2020, 14, 1, 891-898.

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