馮新亮、周豪慎、孫學良、郭再萍、王朝陽、錢逸泰、支春義...

2020-12-06 騰訊網

1.德勒斯登工業大學馮新亮教授Energy Storage Mater.: 柔性面內微型超級電容器在製備與應用方面的進展和挑戰

柔性電子器件因其在人類活動監測和個人健康管理中的潛在應用而受到廣泛關注,其應用包括植入式醫療設備、智能電子皮膚、可摺疊顯示器和人機互動界面等。迄今為止,根據儲能特性的不同,現有的微型面內儲能器件分為微型電池(MBs)和微型超級電容器(MSCs)。與低面積功率密度(-2)和有限壽命(10 mW cm-2)和長循環壽命(>10000個循環)。根據器件尺寸的不同,MSCs大致可分為三類:纖維狀MSCs、平面MSCs和三維MSCs。為了滿足柔性微電子器件對儲能的要求,高能量、高功率密度的柔性平面(FPMSCs)需要研發更先進的電極材料作為其關鍵器件。然而,目前大多數FPMSCs所採用的微加工技術與其它電子元件的製造技術並不完全兼容,因此,FPMSCs器件的製備應針對整個電子系統進行進一步優化。

儘管當前在電極材料、器件製造和FPMSCs集成系統方面已取得了重大進展,但從設計原理、材料選擇、微加工技術、對自供電集成系統的智能響應等方面的綜述仍舊沒有報導。因此,德勒斯登工業大學馮新亮教授課題組對FPMSCs的製造與應用方面的最新進展和挑戰進行了深入分析。在本文的第一部分,作者對FPMSCs的重要器件特性和性能指標進行了定義,通過對微加工技術和電化學性能的評估,總結了近年來FPMSCs的製備進展。隨後,作者詳細介紹了通過合理設計功能電極、電解質和基底,在製造智能響應型FPMSCs方面的最新進展,並進一步討論了FPMSCs在智能響應自供電集成系統中的應用。最後,作者強調了該領域的關鍵技術挑戰,並為FPMSCs的發展提供了方向。

Panpan Zhang, Faxing Wang, Sheng Yang, Gang Wang, Minghao Yu, Xinliang Feng. Flexible in-plane micro-supercapacitors: progresses and challenges in fabrication and applications.Energy Storage Mater.2020. DOI: 10.1016/j.ensm.2020.02.029.

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2.南京大學周豪慎教授Energy Environ.Sci.受太陽能驅動可在超低溫下穩定運行的全固態鋰空氣電池

全固態鋰離子電池(ASS LIBs),尤其是鋰空氣電池,採用無機固態電解質(SSE)代替液態電解質,在開發高能量、安全、寬溫度範圍的儲能器件方面具有很大的優勢。目前研發出的固態電解質(SSE、鈣鈦礦、garnets和硫化物)基ASS-LIBs可以在相對較高的溫度(50 ℃~120 ℃)範圍內良好運行。然而,在這類電池中,電解液/電極材料中存在著不良的電荷儲存和傳輸,這使得當溫度降至零攝氏度以下時,電池會損失大部分容量和功率。因此,開發超低溫可充電全固態LIBs是人們長期追求的目標,但這的確也是一個巨大的挑戰。

在本文中,南京大學周豪慎教授聯合何平教授等課題組提出了一種創新的太陽能光熱電池(SPTB)技術來解決上述挑戰。在該系統中,由雜化Ru納米結構自組裝而成的工程等離子體空氣陰極能有效吸收非常寬範圍的太陽光(>95%, 200 to 2500 nm),並將其轉化為熱,從而在電解質/電極材料中實現有效的電荷存儲和傳輸。這種ASS鋰空氣電池在-73 ℃和400mA g-1電流密度下,表現出優異的容量輸出,氙燈輻射下的容量為3600 mAh g-1,AM 1.5輻射下的容量為500 mAh g-1。將容量限制在1000 mAhg-1運行時,該電池無論是在-73 ℃還是室溫下,均表現出傑出的循環壽命。可以說,這種SPTB技術為開發超低溫高能電池開闢了新的途徑,廣泛拓展了儲能器件的溫度依賴性應用。

Hucheng Song, Sheng Wang, Xiaoying Song, Jue Wang, KezhuJiang, Shihua Huang, Min Han, Jun Xu, Ping He, Kunji Chen, Haoshen Zhou. Solar-drivenall-solid-sate lithium air batteries operating at extreme low temperatures.Energy Environ. Sci.2020. DOI: 10.1039/C9EE04039K.

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3.西安大略大學孫學良教授Chem. Soc. Rev.: 高性能固態鋰硫電池的基礎認識和工程設計

具有高能量密度和高安全性的固態鋰硫電池(SSLSBs)被認為是滿足電動汽車市場需求最有前途的儲能器件之一,然而,電池中鋰多硫化物的穿梭效應、界面不匹配、鋰枝晶生長等基礎研究與實際應用之間的巨大差距,仍然阻礙著SSLSBs的商業化。有鑑於此,西安大略大學孫學良教授課題組從基礎和工程的角度出發,為實際的SSLSBs尋求合理的設計參數。作者通過綜述SSLSBs的工作原理、組成部分和面臨的實際挑戰,總結和討論了近年來通過先進的表徵技術和密度泛函理論(DFT)計算來理解電池中界面的進展和方法,系統分析了硫負載量、電解質厚度、放電容量、放電電壓、陰極硫含量等一系列設計參數對SSLSBs電池重量和體積能量密度的影響。此外,作者還討論了目前報導SSLSBs的優缺點,並提出如何解決這些缺點的策略。最後,作者對SSLSB工程的發展方向和前景進行了展望。

Xiaofei Yang, Jing Luo and Xueliang Sun. Towards high-performance solid-state Li–S batteries: from fundamental understanding toengineering design.Chem. Soc. Rev.2020. DOI: 10.1039/C9CS00635D.

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4.臥龍崗大學郭再萍教授Adv. Energy Mater.:鋰化輔助化學剝離製備超薄GeP納米片用於高效儲鈉

近年來,超薄材料因其獨特的性能而受到研究人員的廣泛關注。例如超薄少層GeP(FL‐GP),由於合適的帶隙和良好的環境穩定性,使其在電子學和光電子領域具有潛在的應用價值。然而,要從大塊的晶體中剝落以獲得超薄的幾層或單層GeP材料,仍舊是一個挑戰。在本文中,臥龍崗大學郭再萍教授聯合陳俊教授等課題組採用一種鋰化輔助化學剝落技術成功製備出FL-GP。在該技術中,塊狀GeP材料在鋰離子插層後,層間距可以有效地增大,從而使大塊晶體在隨後的超聲處理中易於剝落,製備出超薄FL-GP。電化學性能測試表明,FL-GP/還原氧化石墨烯(rGO)複合材料具有顯著的儲鈉性能。在該複合材料中,具有二維結構的FL-GP可以縮短離子傳輸路徑,並緩解了電極在鈉化過程中發生的體積變化。同時,複合材料中的rGO可以提高整個電極的導電性。因此,作者製備出的FL-GP/rGO電極在100 mA g 1電流密度下,具有504.2 mAh g 1的高比容量,並且表現出顯著的倍率性能和良好的循環穩定性。此外,作者還組裝出FL‐GP/rGO//Na3V2(PO4)3全電池,發現該電池具有令人滿意的電化學性能,表明作者所製備的負極材料具有潛在的應用前景。

Fuhua Yang, Jian Hong, Junnan Hao, Shilin Zhang, Gemeng Liang, Jun Long, Yuqing Liu, Nana Liu, Wei Kong Pang, Jun Chen, and Zaiping Guo. Ultrathin Few‐Layer GeP Nanosheets via Lithiation‐Assisted Chemical Exfoliationand Their Application in Sodium Storage.Adv. Energy Mater.2020.DOI: 10.1002/aenm.201903826.

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5.賓夕法尼亞州立大學王朝陽教授Sci. Adv.: 實現高安全高性能鋰離子電池的新途徑

可充電鋰離子電池(LIBs)目前已廣泛應用於電動汽車、消費電子產品和固定式儲能系統中,在提高電池能量密度/性能的同時,還要實現高安全性是電池領域永恆的追求。但是,傳統電池的性能、安全性和循環壽命都取決於負極/電解液和正極/電解液界面的電化學反應,而電池材料反應性和穩定性之間的內在衝突持續存在於電極/電解液界面(EEIs)中。具體來說,高活性電極/電解液材料可以提供高功率和高性能,但是這種高活性往往伴隨著安全性差和電池的加速衰減。高穩定性(即低反應性)電極/電解液材料雖然可提高電池的安全性和壽命、降低衰減和自放電,但該類材料的功率和性能較低。因此,電池材料的開發一直以尋找既不太活潑又不太穩定的電極和電解液材料為目標。

在本文中,賓夕法尼亞州立大學王朝陽教授課題組提出了一個全新的概念,即先將鋰離子電池進行鈍化處理,然後在使用前進行自我加熱,就可以同時達到高性能和高安全性。通過在常規電解液中加入少量triallyl phosphate,可以使鈍化電池的電阻提高約5倍,從而保證了較高的安全性和熱穩定性。通過在數十秒內將自動加熱至60°C,可以保證電池在運行前的高功率。因此,採用高穩定的材料製造一個電阻電池,然後通過快速熱刺激按需提供高功率,可以保證電池在不使用時的高安全性,和在運行時的高性能。可以說,本文開闢了一條革命性的道路。

Shanhai Ge, Yongjun Leng, Teng Liu, Ryan S. Longchamps, Xiao-Guang Yang, Yue Gao, Daiwei Wang, Donghai Wang, Chao-Yang Wang. A new approach to both high safety and high performance of lithium-ion batteries.Sci. Adv.2020 DOI: 10.1126/sciadv.aay7633

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6.中國科學技術大學錢逸泰院士J. Mater. Chem. A: 矽熱還原反應製備Si-Ge納米晶用於超快儲鋰

近幾十年來,IV族元素作為鋰離子電池的負極材料越來越受到人們的重視。由於Si具有最高的理論容量(3579 mA h g 1for Li15Si4)、較低的工作電壓和高地球豐度,一直以來被認為是最有前途的負極候選材料。然而,由於矽負極在嵌鋰後引起較大體積變化,會使電極結構斷裂和並降低電子電導率和離子擴散速度,使得矽負極鋰電池很難擁有長循環和高倍率性能。儘管Ge的理論容量為1384 mA h g 1,且具有高的電子電導率(比Si高100倍)和快速的鋰離子擴散(比Si快400倍),但Ge是一種典型的稀有元素,在LIBs中很難實際應用。目前製備矽鍺複合材料的主要方法有磁控濺射法、掠射角沉積法(GLAD)、化學氣相沉積法(CVD)、電解法和化學熱還原法等,儘管在過去的幾年裡取得了很大進展,但發展更簡單和無金屬的合成方法仍然是當務之急。

在本文中,中國科學技術大學錢逸泰院士課題組利用在450℃下熔融的ZnCl2輔助矽熱還原策略,成功製備出Si-Ge納米晶。在該過程中,過量的Si同時作為還原劑和目標產物,而熔鹽介質可以降低反應溫度。在矽顆粒上的GeO2原位還原,保證了殘餘Si和生成Ge之間的緊密均勻接觸,從而形成相互連接的骨架。並通過改變初始反應物,可以很好地控制矽在所有納米晶中的摩爾比。在作為鋰離子電池負極材料時,優化後的Si-Ge納米晶具有優異的倍率性能(20A g-1時的容量為866.8 mA h g-1)和長循環穩定性(500次循環後的容量為1046 mA h g-1)。利用原位Raman光譜、CV和GITT測試表明,Si-Ge納米晶相互連接的二元結構可以通過逐步快速鋰化來調節體積變化,並在導電Ge組分的輔助下改善過電位和反應動力學過程。值得注意的是,通過還原各種氧化物或碳酸鹽,這種矽熱還原策略還可擴展到其它含矽功能材料或合金的製備,如Si-Sn、Si-Sb、Si-Bi、Si-Cu-Cu3Si和Si-C等。

Jie Zhou, Haoyu Zhao, Ning Lin, Tieqiang Li, Yang Li, Song Jiang, Jie Tian, Yitai Qian. Silicothermic Reduction Reaction for Fabricating Interconnected Si-Ge Nanocrystals with Fast and Stable Li-Storage.J. Mater. Chem. A2020. DOI: 10.1039/D0TA00109K

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7.香港城市大學支春義教授Energy Storage Mater.: 碳織物負極中摻雜-缺陷相互作用新觀點

對摻雜硬碳材料而言,雜原子摻雜和結構缺陷都可以影響電化學存儲性能,且這種影響長期以來一直被認為是相似的。然而,摻雜劑與結構缺陷之間潛在的相互作用一直被忽略,這導致關於摻雜劑對富缺陷硬碳材料的電化學性能影響頗有爭議。在本文中,香港城市大學支春義教授聯合雪梨大學陳元教授等課題組通過理論計算和電化學測試相結合的方法,系統研究了N,S摻雜與碳空位缺陷之間的相互作用,及其對硬碳材料鈉離子儲存電化學性能的影響。通過研究,作者證實了摻雜-缺陷相互作用對碳負極的容量和倍率性能起著至關重要的作用,並證明了N,S共摻雜是一種非常有效的方法。在理論計算的指導下,作者提出了一種通用的原位織構方法,製備出具有優異鈉離子存儲性能的N,S雙摻雜多孔硬炭材料。該硬碳材料具有高可逆容量(0.05 A g-1時的容量為430 mA h g-1),前所未有的倍率性能(5 A g-1時的容量為277 mA h g-1),以及優異的循環穩定性。

Zengxia Pei, Qiangqiang Meng, Li Wei, Jun Fan, Yuan Chen, Chunyi Zhi. Toward Efficient and High Rate Sodium-Ion Storage: A New Insight from Dopant-Defect Interplay in Textured Carbon Anode Materials.Energy Storage Mater.2020. DOI: 10.1016/j.ensm.2020.02.033.

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8.復旦大學夏永姚教授Chem:有機-無機誘導聚合物插層複合材料用於水系鋅離子電池

可充電水性鋅基電池具有低成本、高安全性等優點,是目前非常有吸引力的儲能器件,然而,釩氧化物正極的性能在很大程度上取決於層間距的大小。在本文中,復旦大學夏永姚教授課題組採用層狀PEDOT-NH4V3O8(PEDOT-NVO)作為正極材料,通過有效的導電聚合物插層,使層間距增加了10.8 (單個NVO的層間距為7.8 )。該正極材料在0.05 A g-1電流密度下的容量為356.8 mAh g-1,即使10 A g-1的高電流密度下,該正極容量依舊可以維持在163.6mAh g-1。此外,該正極具有超過5000次充放電循環的超長壽命,容量保持率為94.1%。通過機理分析和理論計算相結合,揭示出該正極材料中氧空位和聚合物輔助增大層間距是提高電化學性能的主要原因。

Duan Bin, Wangchen Huo, Yingbo Yuan, Jianhang Huang, Yao Liu, Yuxin Zhang, Fan Dong, Yonggang Wang, and Yongyao Xia. Organic-Inorganic-Induced Polymer Intercalation into Layered Composites for Aqueous Zinc-Ion Battery.Chem2020. DOI: 10.1016/j.chempr.2020.02.001.

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