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【乐鱼体育首页】能源周报:Nat. Energy、JACS、Angew、AM、Matter等大合集

文章出处:乐鱼体育 人气:发表时间:2021-11-19 00:22
本文摘要:温馨提示:本次周报包罗20篇文献,预计阅读时间20min,大家挑感兴趣的关注。p.s.文末会附有已往三周周报链接。1. Nat. Energy:富LiF固态电解质界面的设计用于高性能微型电池合金负极具有硅,铝或铋微米级( 10µm)颗粒负极的锂电池具有高容量,易于生产,低成本和情况友好的优点,但它们同样具有快速剖析和库仑效率低的缺点。

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温馨提示:本次周报包罗20篇文献,预计阅读时间20min,大家挑感兴趣的关注。p.s.文末会附有已往三周周报链接。1. Nat. Energy:富LiF固态电解质界面的设计用于高性能微型电池合金负极具有硅,铝或铋微米级(> 10µm)颗粒负极的锂电池具有高容量,易于生产,低成本和情况友好的优点,但它们同样具有快速剖析和库仑效率低的缺点。

在这里,研究者证明晰合理设计的电解质(含有2.0 M LiPF6的四氢呋喃和2-甲基四氢呋喃的1:1混淆物)能够使全电池在100个循环内完整的充放电,这些电池包罗带有商业化的LiFePO4或LiNi0.8Co0.15Al0.05O2正极和含有硅,铝或铋颗粒的负极。面积容量大于2.5 mAh cm-2的合金负极可实现 > 300次循环,初始库仑效率> 90%,平均库仑效率> 99.9%。通过形成高模量的LiF-有机双层界面,可以促进这些革新,其中LiF与合金负极具有很高的界面能,以适应锂合金在循环历程中的塑性变形。

这项事情为当前的电池技术提供了一种简朴而实用的解决方案,而无需任何粘合剂的改性或特殊的制造方法。原文链接:https://www.nature.com/articles/s41560-020-0601-12. Angew. Chem. Int. Ed.:用于高电压全固态锂金属电池的超稳定导电复合质料界面的原位构建石榴石电解质与锂金属的润湿性较差,导致极高的界面阻抗和锂枝晶的急剧生长。

本文通过在300℃下SnNx与锂金属的转化反映,在Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12(LLZTO)颗粒与Li金属之间原位构建了由LiySn合金和Li3N组成的新型超稳定导电复合界面(CCI)。LiySn合金作为LLZTO和锂金属之间的一连而结实的桥梁可以有效地将LLZTO / Li界面电阻从4468.0Ω降低到164.8Ω。同时,作为快速锂离子通道的Li3N可以有效转移锂离子,并在LLZTO / Li界面上实现其匀称漫衍。因此,Li / LLZTO @ CCI / Li对称电池在没有短路的情况下稳定地循环了1200小时,而且全固态高电压Li/LLZTO@CCI/LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2电池在0.25 C时的特定容量可达161.4 mAh g-1,容量保持率为92.6%,库仑效率为100.0%。

原文链接:https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.2020005473. Angew. Chem. Int. Ed.:通过电流置换反映原位形成液态金属,以构建无枝晶的碱离子电池电流置换反映已被研究为合成纳米结构合金的通用途径。然而,很少用于探索碱金属的电化学置换。当氧化还原电势凌驾非水溶液的电势窗口时,将在模板外部形成掩护性界面层,而且庞大的界面化学仍然难以捉摸。

在这里,研究者演示了通过电化学置换反映形成的Na和K室温液态金属合金。通过组合的实验和盘算方法研究了在相当低的电势下反映的基本原理,该方法展现了固体电解质界面在调治Na离子迁移以及合金化反映动力学中的关键作用。

使用原位形成的NaK液态合金作为负极,由于液态金属的可变形和自愈特性,可以消除碱金属的枝晶生长。观点上验证了电池可提供合理的电化学性能,从而证实了这种原位方法和下一代无枝晶电池的设计原理的普遍性。原文链接:https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.2020050094. J. Am. Chem. Soc.:结构和界面设计实现稳定的富锂正极富锂的层状氧化物正极在所有插层正极中具有最高的理论能量密度,这引起了高能锂离子电池的强烈兴趣。

可是,O3结构的层状氧化物正极具有较低的初始库仑效率(CE),严重的电压衰减以及由于一连释放氧气而导致的循环稳定性差,由于不行逆过渡金属迁移导致的结构重排以及脱锂的正极和电解质之间的严重副反映。在这里,研究者是通过使用稳定的O2结构的Li1.2Ni0.13Co0.13Mn0.54O2(O2-LR-NCM)和全氟化电解质来解决的。O2-LR-NCM可以有效地限制过渡金属迁移到锂层而且O2-LR-NCM外貌上原位形成的氟化阴极电解质中间相(CEI)可防止其在初始循环中全氟化电解质的剖析。通过抑制结构的转变来抑制O2释放,从而掩护过渡金属氧化还原对,进而实现高度可逆和稳定的氧阴离子氧化还原反映。

所有氟化电解质中的O2-LR-NCM均可实现99.82%的高初始库伦效率,循环库伦效率> 99.9%,高可逆容量278 mAh / g,以及100次循环后的高容量保持率83.3%。电解质和正极结构的协同设计代表了稳定高能正极的有希望的研究偏向。

原文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c023025. J. Am. Chem. Soc.:固溶性金属合金相用于高度可逆的锂金属负极锂金属电池是用于高能量密度能量存储的重要设备,可是锂金属负极与电解质具有很高的反映性,并形成不受控制的枝晶,该枝晶会引起不良的寄生反映,从而降低循环稳定性并引发宁静隐患。只管在部门解决这些问题上取得了显着希望,但在电极/电解质界面处的锂金属电镀始终发生,进而发生锂枝晶。在这里,研究者展示了将锂原子向内生长到厚度为数十微米的金属箔中的历程,同时制止了外貌沉积,这是由可逆固溶体基合金相变驱动的。

固溶合金相的锂化有利于外貌上新生成的锂原子沉入金属箔中,而可逆的合金相变则陪同着脱锂历程中的脱合金反映,进而从金属箔内部提取锂原子。发生的无枝晶锂负极的库仑效率提高到了99.5±0.2%,可逆容量为1660 mA h g-1(3.3 mA h cm-2)。原文链接:https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/jacs.0c018116. Adv. Mater.: 二维二硫化钼在二维氮掺杂碳上的异质结构:优良的钾离子储存及钾储存机理的研究通过对差别二维质料的叠加来构建二维异质结构质料,既可以综合单个构件的优点,又可以消除其缺点。

双硫族化物因其高理论容量而成为钾离子电池(KIB)的有吸引力的阳极。然而,由于K+插入的动力学缓慢,而且由于K+插入量大而导致的电极结构塌陷,差的电化学性能极大地阻碍了双硫族化物的实际应用。本文制备了二维氮掺杂碳上的二维二硫化钼(MoS2,MoSe2-on-NC)的异质结构,以提高其钾存储性能。奇特的2D异质结构具有内置的异质界面,有助于K+扩散。

结实的化学键(C-S,C-Se,C-Mo键)增强了电极的机械强度,从而抑制了体积膨胀。二维N掺杂碳纳米片作为三维结构相互毗连,为电子提供了快速扩散路径。得益于这些优点,MoS2-on-NC和MoSe2-on-NC都具有较好的循环寿命。

此外,在钾化和去钾化历程中展现了MoSe2的电化学反映机理。原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.2020009587. Adv. Mater.: 通过优化电子和离子输运的匀称性在大单晶H-Nb2O5阳极中实现超快稳定的Li-(De)插层探索具有快速、宁静、稳定插层的锂离子电池负极质料,对开发下一代锂离子电池具有重要意义。单斜H型五氧化二铌具有优异的快Li-(de)插层动力学、高比容量和宁静性,但由于晶体中相变的非同步性,其实际速率能力和循环稳定性仍然有限。本文通过使晶体周围的电子和锂离子导电性匀称化来解决这个问题。

为了优化电子和锂离子输运的匀称性,在微米单晶H-Nb2O5颗粒上引入非晶N掺杂碳层。因此,所制备的H-Nb2O5具有高可逆容量(50 mAh大于250 mAh g-1)、高倍率性能(16.0 A g-1约120 mAh g-1)和优异的循环稳定性(1000次循环后2.0 A g-1约170 mAh g-1),这是迄今为止H-Nb2O5质料中性能最高的。

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通过操作透射电子显微镜和X射线衍射进一步证实了其固有原理。为锂离子电池电极质料的进一步生长提供了新的思路。原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.2020010018. Nat. Commun.: 具有电流驱动的羟基氧化物壳的动态电催化剂,用于可充电锌空气电池近年来,可充电锌空气电池的研究取得了丰硕的结果,泛起了种种双功效氧电催化剂,特别是金属基质料。然而,它们在电池运行历程中的电催化结构和析氧途径却很少被发现。

本文,为了形貌这个潜在的行为,提出了动态电催化剂的观点。通过选择双金属氮化物作为表征,通过时间分辨X射线和电子光谱分析,显示了电流驱动的“壳体”结构。给出了纳米氢氧化物壳层形成和成熟的动态图像,并视察到性能主导元素的周期性价态颠簸。

活化后,锌空气电池的功率密度险些增加了两倍,到达234 mW cm-2,30 mA cm-2时电压间隙逐渐缩小到0.85 V,随后稳定循环数百小时。所展现的结构可以作为构建金属基电催化剂未来蓝图的基础,并将锌空气电池推向实际应用。

原文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-020-15853-19. Mater.Today:高性能锂离子电池用TMPOx涂覆LiNi0.5Mn1.5O4阴极的晶体工程使用无钴LiNi0.5Mn1.5O4(LNMO)将为实现可连续锂离子电池提供一个庞大的飞跃。然而,高事情电压对阴极/电解液的稳定性仍然是一个庞大的挑战。

在此,本文提出了一个合理的质料设计来解决这些挑战,通过仔细调整合成参数设计具有特定外貌形貌的LNMO晶体,提供了优异的倍率能力和革新了界面稳定性。分外引入的掩护性TMPOx涂层在高达4.95 V的高停止电压、40 ℃和高放电/充电速率下进一步改善了电池的恒久循环稳定性。

由于LNMO活性质料颗粒的经心设计,接纳这种质料和Li4Ti5O12阳极的锂离子电池,在10C的快速放电/充电速率下展现了80%的倍率性能,以及在这样高的速率下具有高的稳定循环性,1000次循环后容量衰退小于凌驾5%。原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S136970212030105X10. ACS Energy Lett.:对于未来锂金属电池传统有机电解液的升级:纳米SiO2支撑的分层凝胶聚合物电解质开发宁静、高能量密度的锂金属电池(LMBs)是下一代充电电池的研究热点。然而,锂离子与液体电解质发生不行制止的反映以及随后形成的锂枝晶是限制锂离子电池生长的关键问题。

在这里,本文报道了一种纳米二氧化硅支撑的凝胶聚合物电解质(SiO2-GPE),通过传统有机液体电解质原位凝胶化功效修饰SiO2层形成了分层结构,显示出高的离子导电性(25℃时为1.98×10-3 S cm-1)和宽的电化学窗口(>4.9v vs. Li/Li+)。LiFePO4/SiO2-GPE/Li电池在1C下体现出125.5 mAh g-1的高容量,700次循环后容量保持率为88.42%。其优异的电化学性能主要是由于电极/电解液界面的高度相容性和SiO2-GPE膜的协同作用对锂枝晶生长的有效抑制。

原文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.0c0041211. Adv. Mater.: 锂离子电池无粘结剂纳米结构电极的先进基底商用锂离子电池(LIBs)由于可逆容量不足、循环时间短、成本高而受到限制,对其功率容量、能量密度、使用寿命和灵活性的要求越来越高。商用LIB电极中存在绝缘和电化学非活性粘合剂,导致活性物质漫衍不匀称,这些质料与基底接触不良,降低电池性能。因此,具有无粘结剂设计的纳米结构电极被开发出来,而且具有许多优点,包罗大外貌积、与基底的牢靠粘附性、高面积/比容量、快速电子/离子转移缓和解体积膨胀的自由空间,从而导致优异的电池性能。

本文系统地综述了LIBs中金属、含碳质料、聚合物以及其它无粘结剂纳米结构电极基底的研究希望。此外,还详细先容了这些无粘结剂纳米结构电极在实际全电池结构锂离子电池中的潜在应用,特别是在全柔性/可拉伸锂离子电池中的应用。

最后,讨论了基于无粘结剂纳米结构电极的全电池锂离子电池的未来机缘和挑战。原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.20190844512. Adv. Mater.: 三元杂化阳离子室温液态金属电池及其界面选择机理研究由两种碱金属组成的无枝晶钠-钾(Na-K)液态合金是锂金属作为阳极质料的理想替代品之一,同时又保持了大容量,低电势和高品貌。可是,Na或K离子电池的阴极质料有限,无法稳定地提供大容量。该研究联合了两者的优点,混淆阳离子液体金属电池专为基于锂离子插入的阴极而设计,可使用Na–K液体阳极提供稳定的高容量以制止枝晶。

Na-K合金的机械性能通过仿真和实验表征获得证实,这可以带来稳定的循环性能。还研究了该三元杂化阳离子体系中的载流子选择原理,显示出与电化学历程中界面层形成和离子漫衍机理的一致性,以及良好的稳定性。

锂离子作为稳定的循环电荷充当阴极电荷载体,钾离子充当阳极上的电荷载体,而钠则作为液化钾金属的介质,这样的三元混淆电池系统不仅继续了富厚的锂电池化学性质阴极,也拓宽了对碱金属合金和混淆离子电池化学的认识。原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.20200031613. Adv. Mater.: 锂接纳的电化学方法:全面而严格的综述由于便携式应用中锂离子电池的普遍存在,以及它们在交通运输和大规模能源领域的应用,现在对锂的未来成本和可用性一直存在争议。锂的需求预计将在不久的未来增长,到2025年将到达每年900吨。

锂的使用将取决于产量的强劲增长。可是,当前最广泛的锂提取方法是石灰-苏打蒸发法,需要一段时间(1-2年),详细取决于天气条件。通过这种技术在全球实际生产的锂将很快被市场需求所逾越。

替代的生产方法最近引起了极大的关注。其中,基于电化学离子泵技术的电化学锂接纳提供了更高的产能,它不需要使用化学物质来再生质料,淘汰了水的消耗和化学废物的发生,并可以控制生产速度,适应市场需求。

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在这篇综述中,作者对这项技术举行了分析,特别偏重于方法,所用质料和反映堆设计。原文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.20190544014. Matter: 全固态电池中锂枝晶的生长机理、抑制计谋及表征锂金属作为全固态电池的负极质料,由于其电化学电位低、容量大而受到越来越多的关注,但枝晶生长带来的问题阻碍了其进一步的应用。恒久以来,全固态锂金属电池(ASLBs)由于具有较高的机械强度而被认为是锂金属的苏醒之源。然而,大量的研究讲明,ASLBs中普遍存在着枝晶问题,其形成机理十分庞大。

本文综述了锂枝晶在ASLBs中的热力学、动力学、电化学、化学力学、结构稳定性及表征等方面的研究希望。首先,讨论了聚合物、陶瓷和玻璃电解质中枝晶的形成和扩展机理。随后,基于这些枝晶生长机制,我们回首了抑制枝晶生长的种种计谋。此外,为了更好地明白固态电池中的枝晶,本文还综述了先进的表征技术。

原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S259023852030128415. ACS Energy Lett.: 介孔二氧化硅增强高能量、长循环锂金属电池杂化聚合物人工层可充电锂金属电池被认为是储能系统的“圣杯”,可是由于锂金属阳极枝晶的生长而导致循环稳定性差和严重的宁静隐患。本文中,研究者们仅通过在Li外貌上构建介孔二氧化硅增强的杂化聚合物人工层,就到达了创纪录的高压Li金属全电池循环寿命。无机中孔SiO2填料在调治Li+离子迁移和增强机械刚度方面起着关键作用,而聚合物PVDF单元赋予人造SEI结构完整性和可拉伸的柔韧性,从而显着稳定了液态锂阳极-电解质界面。

当与种种高压阴极(4.5V级LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2和LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2和5V级LiNi0.5Mn1.5O4)联合使用时,改性的Li电极可以显着延长循环寿命。实际条件下(2 mAh cm-2的高面积容量,50μm的薄Li箔和7.5μLmAh-1的稀碳酸盐电解质)甚至在苛刻的操作条件下(袒露于湿润空气中0.5 h和升高的温度60 ℃)。他们的事情清除了实际使用锂金属阳极的障碍,并为高能电池的开发提供了指导。

原文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.0c0080416. Nat. Energy: 通过谷间散射使用III-V太阳电池中的热载流子热载流子太阳能电池提供了凌驾Shockley-Queisser极限的潜力。然而,到现在为止,还没有实现这一效果的明确途径。近年来,太阳能谷状吸收质料的开发被认为是使用热载流子的可行途径。在这里,作者讲明,在光诱导和场辅助谷间散射到上L-谷时,可以在InGaAs/AlNiAs异质结中使用热载流子,其电压由上谷界说(在理想情况下为~1.25V),而不是带隙。

InGaAs吸收剂(0.75eV)在实际操作条件下。由于n+-AlInAs/n-InGaAs界面上谷简并性的不匹配,本系统的效率不凌驾单带隙限制。可是,我们讲明这不是实现热载流子太阳能电池的基本限制。原文链接:https://www.nature.com/articles/s41560-020-0602-017. Angew. Chem. Int. Ed.:纳米(TiNbTaZrHf)C高熵硬质合金粉末的轻便电化学合成高熵合金和化合物由于其优异的耐火和高温性能而成为一类重要的新质料。

然而,通过经典冶金方法大量制备粉末是具有挑战性的。在这里,作者陈诉了第一次通过一个简朴的电化学历程合成超高温高熵碳化物,(TiNbTaZrHf)C。单个金属氧化物和石墨的混淆物在仅1173K的温度下在CaCl2的熔体中脱氧。

制备的(TiNbTaZrHf)C是单相fcc而且具有15-80nm粒度规模的粉末形态。这些质料是现代增材制造技术的需求,而开端测试也讲明可能在超级电容器中应用。(TiNbTaZrHf)C粉末的乐成合成现在可以指导建设用于制备许多其他熵稳定质料的电化学途径的方式。

原文链接:https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.20200353018. Nat. Commun.:使用三导电极举行氢气和电力生产的自可连续质子陶瓷电化学电池质子陶瓷电化学电池(PCEC)是一种新兴且有吸引力的技术,它使用固态氧化物质子导体在中等温度下在电能和氢气之间转换能量。为了在稳定的操作下实现高效的电化学制氢和发电,迫切需要高度结实耐用的电极以促进水氧化和氧还原反映,这是电解和燃料电池操作(尤其是在降低的温度下)的关键步骤。在这项研究中,开发了PrNi0.5Co0.5O3-δ钙钛矿的三导电氧化物作为氧电极,在400〜600 ℃的温度下体现出优异的电化学性能。

更重要的是,通过在电解模式下将生成的氢转化为电而不添加任何氢,乐成地证明晰矜持和可逆运行。优异的电催化活性归因于大量的质子传导,精彩的水合行为和盘算被氢渗透实验所证实。

原文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-020-15677-z19. ACS Energy Lett.:由N,S共掺杂石墨烯纳米片组成的3D碳骨架,层间间距扩大,有利于钾离子存储碳纳米质料显示出实现钾离子存储的潜力,可是,现有碳纳米质料中有限的层间间距极大地影响了PIB的性能。在本文中,作者陈诉了一类由S/N共掺杂石墨烯纳米片(CFM-SNG)组成的3D多孔碳骨架质料,它具有超大的层间间距(0.448 nm)和富厚的边缘缺陷,是高性能PIB的精彩阳极。所得3D CFM-SNG具有迄今为止报道的最高可逆容量(在50 mA/g时为348.2 mAh/g),在2000次循环后在1000 mA/g下具有188.8 mAh/g的精彩循环性能以及精彩的204.3 mAh/g速率能力(在2000 mA / g的高电流密度下)。密度泛函理论盘算讲明,S/N共掺杂和形成的边缘缺陷不仅有利于层间间距的扩展和K+对3D CFM-SNG阳极的吸附,而且还制止了在钾化/去钾化历程中的体积变化。

原文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.0c0041320. ACS Energy Lett.:介质-反溶剂计谋稳定全无机CsPbI3钙钛矿太阳能电池的效率凌驾16%全无机碘化铯铅(CsPbI3)钙钛矿因其固有的化学稳定性和适合光伏应用的带隙而备受关注。可是,简朴合成纯CsPbI3的方法受到了限制。

在这里,作者开发了一种新的介体-反溶剂计谋(MAS),它将苯基-C61-丁酸甲酯(PCBM)混淆的氯苯(CBZ)抗溶剂和甲基碘化碘(MAI)介体相联合,以合成高质量且稳定的黑相CsPbI3钙钛矿薄膜。混淆的反溶剂会改变结晶历程,从而导致钙钛矿的微晶较小,稳定性获得改善。少量的MAI充当介质,并进一步改善了CsPbI3膜的形貌和光电性能。

最后,通过该计谋制备的CsPbI3钙钛矿型太阳能电池的功率转换效率显着提高到≥16%,并具有良好的可重复性。此外,这些设备在1000小时内仍可保持其原始效率的95%。原文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.0c00497。


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