回顾：2020年“金属离子电池”领域都取得了哪些重要的研究成果
以下文章来源于新能源前线 ，作者科研百晓生
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近些年来，金属离子（锂离子，钠离子和镁离子）电池由于其具有高的能量密度，低成本以及环境友好等特点被人们广泛关注。因此，我们对2020年金属离子电池领域在Science和Nature主刊以及子刊上发表的重要研究成果进行了梳理，回顾了以下10篇具有代表性的文章，希望本文能够帮助广大读者更好的理解金属离子电池在未来的发展方向。
1、Science：具有高倍率高容量锂存储界面的黑磷复合材料
高倍率锂离子电池可以在几分钟内充电并能够存储足够行驶350英里的能量，这对于纯电动汽车来说是非常重要的。高充电速率通常会导致容量和循环稳定性的损失。因此，中国科学技术大学季恒星教授研究团队报道了黑磷(BP)作为高倍率、高容量锂存储器的阳极材料。与石墨形成共价键抑制了层状BP粒子的边缘重构，保证了Li+快速嵌入的开放边缘;共价结合的BP-石墨颗粒与电解质膨胀的聚苯胺形成了稳定的固体电解质界面，并抑制了导电不良的氟化锂和碳酸盐的持续增长，以确保有效的Li+传输。合成的复合阳极材料在容量、倍率和循环寿命方面表现出优异的电化学性能。该成果以“Black phosphorus composites with engineered interfaces for high-rate high-capacity lithium storage”为题，发表在Science上。DOI: 10.1126/science.aav5842。
原文链接：
https://science.sciencemag.org/content/370/6513/192.
2、 Nature：新型阳极材料无序岩盐实现锂离子电池的快速充电
具有高能量密度的可充电锂离子电池，可以安全地进行高倍充电和放电，适用于电气化运输和其他应用领域。然而，电流阳极的次优嵌入电位导致能量密度、功率和安全性之间的权衡。 美国加州大学圣地亚哥分校刘平教授与Shyue Ping Ong教授，加州大学欧文分校Huolin Xin教授和美国阿贡国家实验室陆俊研究员报道了无序岩盐Li3+xV2O5可作为快速充电的阳极材料，与Li/Li+参比电极相比，可在约0.6V的平均电压下可逆地循环两个锂离子。如果使用适当的充电控制，与石墨相比，增加的电位降低了金属锂沉积的可能性，减轻了一个主要的安全问题(Li枝晶生长有关的安全问题)。此外，无序岩盐Li3V2O5阳极锂离子电池产生的电池电压远高于商业快速充电的钛酸锂阳极或其他插入备选的阳极材料(Li3VO4和LiV0.5Ti0.5S2)。更进一步，无序岩盐Li3V2O5可以进行超过1000次的充放电循环，容量衰减可以忽略不计，并且表现出优异的倍率性能，在20秒内提供超过40%的容量。作者将无序岩盐Li3V2O5的低电压和高倍率性能归因于具有低势垒的锂嵌入机制。这种低电位、高倍率的插层反应可用于鉴别其他金属氧化物阳极，用于快速充电、长寿命锂离子电池。该研究成果以“A disordered rock salt anode for fast-charging lithium-ion batteries”为题，发表在Nature上。DOI: 10.1038/s41586-020-2637-6。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2637-6.
3、Science：单晶富镍阴极的可逆平面滑动和微裂纹
高性能富镍阴极材料在先进的锂离子电池中发挥着重要的作用，但它面临着重大的挑战，例如对水分的敏感性、剧烈的副反应和循环过程中的产气等。通过减少相边界和材料表面，单晶富镍阴极材料有很大的潜力来解决多晶富镍阴极所面临的挑战。然而，尽管单晶富镍阴极的过电位、微观结构和电化学行为之间存在着根本性的联系，但高性能单晶富镍阴极的合成仍然是一个具有挑战性的课题。近日，美国西太平洋国家实验室肖杰研究团队通过原位原子力显微镜和理论模型研究了单晶LiNi0.76Mn0.14Co0.1O2（NMC76）材料的电化学耦合行为。结果表明，在单晶富镍阴极中，观察到沿（003）晶面的可逆滑移和微裂纹。微结构缺陷的可逆形成与晶格中Li原子浓度梯度引起的局部应力有关，为从合成改性中减轻颗粒裂纹提供了新的见解。该成果以“Reversible planar gliding and microcracking in
a single-crystalline Ni-rich cathode”为题，发表在Science上。DOI：10.1126/science.abc3167。
原文链接：
https://science.sciencemag.org/content/370/6522/1313.
4、Science：钠离子电池层状氧化物材料的合理设计
钠离子电池因其丰富的钠元素而在电网储能领域受到广泛的关注。这种电池的性能受到现有电极材料的限制，尤其是钠离子层状氧化物，这促使了人们对高组成多样性的探索。结构化学是决定电化学性能的决定性因素，但预测非常具有挑战性，特别是对于复杂的组成。因此，中国科学院物理研究所研究员胡永胜、陆雅翔和哈佛大学Alán Aspuru-Guzik，波尔多大学Claude Delmas，代尔夫特理工大学Marnix Wagemaker合作引入“阳离子势”来捕捉层状材料的关键相互作用，并使预测层状结构成为可能。通过合理设计和制备层状电极材料，提高了电极材料的性能，证明了这一点。这种方法为碱金属层状氧化物的设计提供了一种新的解决方案。该成果以“Rational design of layered oxide materials for sodium-ion batteries”为题，发表在国际著名期刊Science上。DOI: 10.1126/science.aay9972。
原文链接：
https://science.sciencemag.org/content/370/6517/708.
5、Science：快速充电钛酸锂离子输运的动力学途径
快速充电锂离子电池通常使用能够通过固溶转化连续容纳锂的电极，因为除了离子扩散外，它们几乎没有动能障碍。一个例外是钛酸锂(Li4Ti5O12)，这是一种表现出非凡倍率性能的阳极材料，它的两相反应和Li在两相中的缓慢扩散明显不一致。因此，美国布鲁克海文国家实验室Feng Wang和劳伦斯伯克利国家实验室Gerbrand Ceder等人利用原位电子能量损失光谱实时跟踪Li+的迁移，揭示了沿两相边界亚稳态中间体中扭曲的Li多面体的动力学路径，使Li4+xTi5O12中的迁移变得容易。该工作表明，通过访问基态以上的能量景观，可以实现高倍率的性能，这可能与基态宏观相具有根本不同的动力学机制。这一发现为寻找高倍率电极材料提供了新的机会。该研究成果以“Kinetic pathways of ionic transport in fast-charging lithium titanate”为题，发表在Science期刊上。DOI: 10.1126/science.aax3520。
原文链接：
https://science.sciencemag.org/content/367/6481/1030.
6、Nat. Nanotechnol：渗透选择性金属-有机框架凝胶膜可实现可充电有机电池的长寿命循环
可充电有机电池作为一种低成本、可持续、可批量生产的过渡金属电池替代品，显示出巨大的潜力；然而，严重的电极溶解问题和有机氧化还原中间体的溶解（穿梭效应）一直困扰着这些电池的容量保持率和可循环性。因此，韩国首尔国立大学Kisuk Kang教授研究团队使用金属-有机框架（MOF）凝胶膜作为有机电池的隔膜。均匀的微孔是MOF凝胶隔膜的固有特性，可作为目标有机中间体的选择性渗透通道，从而在不牺牲功率的情况下减轻穿梭问题。使用MOF凝胶隔膜和5,5′-二甲基-2,2′-双对苯醌（Me2BBQ）作为电极的电池在2000次循环后显示出高循环稳定性，容量保持率为82.9%，对应于每个循环约0.008%的容量衰减，在300 mA g−1的电流密度下放电容量为约171 mA h g−1。MOF凝胶隔膜的分子和离子筛分能力保证了普遍适用性，因为孔径可以根据特定的有机电极材料进行调整。利用MOF凝胶隔膜防止可溶有机氧化还原中间体的副反应，可以开发出高能量密度、长循环寿命的可充电有机电池。该研究成果以“Permselective metal–organic framework gel membrane enables long-life cycling of rechargeable organic batteries”为题发表在著名期刊Nat. Nanotechnol上。DOI: 10.1038/s41565-020-00788-x。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41565-020-00788-x.
7、Nat. Energy：用于高性能、高安全锂离子电池的超轻防火型集流体
非活性成分和安全隐患是实现高能量密度锂离子电池的两大关键挑战。具有高密度的金属箔集流体通常是锂离子电池的一个组成部分，但不提供容量。同时，高能量密度电池可能会带来更多的防火安全问题。近日，美国斯坦福大学崔屹教授团队报道了一个复合集流体设计，同时最大限度地减少电池内的“自重”，提高电池的防火安全性。通过在两个超薄Cu层（~500 nm）之间嵌入磷酸三苯酯阻燃剂的聚酰亚胺制备超轻聚酰亚胺基集流体（9 μm厚，比质量1.54 mg cm−2）。与使用最薄的商用金属箔集流体（~6 μm）组装的锂离子电池相比，使用该复合集流体的电池可以实现比能量提高16–26%，并在短路和热失控等极端条件下可以有效阻止电池继续燃烧。该研究成果以“Ultralight and fire-extinguishing current collectors for high-energy and high-safety lithium-ion batteries”为题发表在著名期刊Nat. Energy上。DOI: 10.1038/s41560-020-00702-8。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41560-020-00702-8.
8、Nat. Mater：共轭磺胺类有机锂离子正极材料
由于缺乏含锂和空气稳定的有机正极化学反应，有机电池材料在传统的摇椅式锂离子电池中的适用性仍然受到了严重挑战。经过几十年的实验和理论研究，只有少数锂储层材料是基于典型的共轭羰基氧化还原化学的。因此，比利时鲁汶大学Alexandru Vlad教授和法国南特大学Philippe Poizot教授团队合作用一类共轭磺酰胺（CSA）扩展了有机锂离子正极材料的化学空间，并表明磺酰基上的电子离域使其在环境空气中处理时具有固有的抗氧化性和水解性，并且显示出电荷储存的可逆电化学特性。未发现的CSA化学反应的正式氧化还原电位范围在2.85 V到3.45 V之间(相对于Li+/Li0)，通过静电或诱导分子设计可以很好地调节。这类有机电池正极材料对无机电池正极领域提出了挑战，因为第一代CSA化学已经显示出可与常规LiFePO4相媲美的质量能量密度。该研究成果以“Conjugated sulfonamides as a class of organic lithium-ion positive electrodes”为题发表在著名期刊Nat. Mater上。DOI: 10.1038/s41563-020-00869-1。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41563-020-00869-1.
9、Sci. Adv：可打印的高性能固态电解质薄膜
目前的陶瓷固态电解质（SSE）薄膜由于非晶态结构或易挥发的Li损耗而具有较低的离子电导率（10−8到10−5 S/cm）。因此，美国马里兰大学胡良兵教授团队报道了一种基于溶液的印刷工艺，然后快速（~3s）高温（~1500℃）反应烧结制备高性能陶瓷SSE薄膜。该电极具有致密、均匀的结构和高达1mS/cm的离子导电性。此外，从前体到最终产品的制备时间通常为5分钟，比传统的SSE合成快10到100倍。这种打印和快速烧结工艺还允许在无交叉污染的情况下逐层制造多层结构。该技术可以很容易地扩展到其他薄膜器件，这为开发安全、高性能的固态电池和其他薄膜器件提供了前所未有的机会。该研究成果以“Printable, high-performance solid-state electrolyte films”为题发表在著名期刊Sci. Adv上。DOI: 10.1126/sciadv.abc8641。
原文链接：
https://advances.sciencemag.org/content/6/47/eabc8641.
10、Nat. Energy：采用非均相烯醇化氧化还原化学和弱配位电解质的高功率镁电池
长期以来，镁离子电池一直被视为锂离子电池在低成本、高能量密度和安全性的的潜在替代品。然而，Mg2+与电解质溶液和正极材料发生强烈的相互作用，导致离子解离和扩散缓慢，从而导致低功率输出。因此，美国休斯顿大学姚彦教授课题组联合北美丰田研究所Rana Mohtadi报道了一种基于异相氧化还原烯醇化机理和弱配位电解液的高功率镁电池，它绕过了解离和扩散的困难，实现了快速和可逆的氧化还原过程。这种动力学上有利的阴极与定制的弱配位硼团簇基电解液耦合，该电解液允许在20 mA cm−2的电流密度下进行无枝晶镁离子的电镀/剥离。这种组合的Mg电池可提供高达30.4 kW kg-1的比功率，比最先进的Mg电池高出近两个数量级。本文所阐述的阴极和电解液化学技术将推动镁电池的发展，并将加速这种低成本、高安全性的电池技术的应用。该研究成果以“High-power Mg batteries enabled by heterogeneous enolization redox chemistry and weakly coordinating electrolytes”为题发表在著名期刊Nat. Energy上。DOI: 10.1038/s41560-020-00734-0。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41560-020-00734-0.
本文由科研百晓生供稿。