鈉離子電池助力電網儲能、硫硒化鉬雜化負極、陽離子COF、硝酸鋰...

2020-12-11 騰訊網

01

鈉離子電池為電網儲能鋪平道路

最近，可再生能源發電的激增為人類應對全球氣候變化提供了希望。但是，要獲得這些可再生能源的全部價值，就需要以具有成本效益、安全和可持續的方式來存儲和分配所產生的任何可再生能源。鈉離子電池（NIBs）因鈉元素豐富，具有潛在的電化學性能和對環境有益的性質，因此被視為一種極具吸引力的存儲技術。此外，鈉電池材料的新進展使得能夠採用一些不含稀有元素（如Li、Co、Ni）的高電壓和高容量正極，從而為低成本的NIBs提供了有效途徑，使得其在能量密度上可與鋰電池相媲美，而又能夠同時服務於大規模電網儲能的需求。在本文中，美國加利福尼亞州立大學聖地牙哥分校Y.Shirley Meng（孟穎）課題組討論了一系列電池化學物質以及它們各自的電池屬性，同時保持了電網存儲的度量標準。還討論了材料和整塊電池成本、供應鏈和環境可持續性的有關事項，並著重強調了從NIBs中消除幾種元素（Li、Co、Ni）的必要性。文章還進一步討論了未來的研究方向，以及克服電池安全和可持續回收障礙的潛在策略。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202001274

02

硫硒化鉬雜化負極實現快速儲鈉

要在鈉離子（Na+）電池中同時獲得高能量密度和功率密度，應通過材料優化來改善負極的反應動力學和結構穩定性。在這項工作中，北京理工大學陳人傑課題組設計了由1T和2H混合相組成的寡層鉬硫硒化物（MoSSe），以提供高的離子/電導率、低的Na+擴散勢壘和穩定的Na+儲存。還原氧化石墨烯（rGO）用作導電基底以形成3D電子傳輸路徑。所得到的MoSSe@rGO負極在有機電解質和固態電解質中均顯示出高的容量和倍率性能。MoSSe@rGO負極的超快Na+存儲動力學歸因於表面主導的反應過程和寬廣的Na+通道。原位和非原位測試揭示了Na+在MoSSe@rGO中的存儲過程。研究發現，Mo-S和Mo-Se鍵有效限制了活性物質的溶解。MoSSe@rGO電極良好的Na+存儲動力學歸因於其低的吸附能-1.997 eV和低的擴散勢壘0.087 eV。這些結果表明，對金屬硫化物進行陰離子摻雜是開發具有高能量和功率密度以及長壽命鈉離子電池的可行策略。

03

CCF@SnS@G實現高性能鋰和鈉離子存儲

SnS是鋰離子電池（LIBs）和鈉離子電池（SIBs）的一類潛在負極材料，但是，由於其巨大的體積變化和不良的導電性，其循環壽命很短。在此，東華大學朱美芳/鄒儒佳/胡俊青/劉倩團隊通過使用改良的CVD方法，在（由Co，N-修飾的多孔碳纖維支撐）SnS納米片陣列表面上直接生長了類似石墨烯的碳膜（CCF@SnS@G）。在該策略中，將SnS納米片陣列受限在包含多孔碳纖維和類似石墨烯-碳膜的集成碳基質中，可大大提高電化學性能。原位TEM實驗表明，垂直石墨烯狀碳膜不僅可以很好地保護SnS納米片不受破壞並增強導電性，而且還可以將SnS納米片轉變為超細納米顆粒，從而促進電化學動力學。電化學研究顯示，對於LIBs，CCF@SnS@G電極在5 A g-1的高電流密度下可提供穩定的可逆容量529 mAh g-1；對於SIBs，在2 A g-1的情況下提供541.4 mAh g-1。

04

陽離子COF助力高性能Li-S電池

可溶性多硫化鋰（LiPSs）的穿梭效應導致硫正極迅速衰減，從而嚴重阻礙了鋰-硫（Li‐S）電池的實際應用。在此，鄭州大學臧雙全/王銳團隊報導了具有適當陽離子位點的共價-有機骨架（COF），可將其作為高性能Li-S電池的正極主體。錨定在微孔內的化學硫可有效抑制LiPSs溶解到電解質中。在放電步驟中，陽離子位點可以接受來自負極的電子並將其傳遞到多硫化物，以促進多硫化物的分解。同時，陽離子位點可以接收來自多硫化物的電子，然後在充電過程中將其傳遞到負極，從而促進多硫化物的氧化。因此，實驗和計算建模均表明，陽離子COF可有效抑制LiPSs的穿梭效應並改善電池性能。與電中性的COFs相比，基於陽離子COF的電池即使在高電流密度下也顯示出更好的循環穩定性，例如，在4.0 C電流密度下經過300次循環後仍可保持468 mA h g-1的高比容量。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.202002932

05

硝酸鋰調節碸類電解質，實現高性能鋰金屬電池

鋰金屬電池中的電解質必須與鋰金屬負極和高壓正極都兼容，且可以通過操縱溶劑化結構來對其進行調節。在此，美國馬裡蘭大學王春生課題組為了提高電解質的穩定性，將硝酸鋰（LiNO3）和HFE引入到高濃度環丁碸電解質中，以抑制Li枝晶的生長，並實現Li負極和LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2（NMC811）正極的庫侖效率均> 99%。分子動力學模擬表明，NO3-參與了鋰離子的溶劑化鞘層，使得更多的TFSI-與Li+配位。因此，在鋰表面上形成了堅固的富-LiNxOy-LiF固態電解質界面（SEI）層，從而抑制了鋰枝晶的生長。含LiNO3的環丁碸電解質還可以支持腐蝕性極強的LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2（NMC811）正極，在0.5 C下循環200次的放電容量為190.4 mAh g-1，容量保持率為99.5%。

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202009575

（本期作者：毛毛的維）

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