王春生、乔世璋、李峰、汪国秀、彭慧胜、许运华教授等最新研究成果
金属锂是下一代锂离子电池最具竞争力的负极材料，但其一直以来面临着锂枝晶的生长和脱落问题，该问题不仅会引起安全隐患，而且会持续消耗电解液和锂，导致锂金属电池的库仑效率低、循环寿命短。到目前为止，抑制锂枝晶的策略主要依赖于电解液优化、人工SEI或三维集流体的研发。选择界面能高于有机化合物的无机物，如LiF、LiNO3和Li2Sx，可以在Li负极表面形成稳定的SEIs，从而抑制枝晶生长。其中，LiF具有最高的界面能，并表现出Li垂直生长模式的潜在变化。然而，许多构建富含LiF的SEI的策略依赖于氟化电解液成分的减少，这将导致在形成足够的LiF钝化之前，消耗过多的电解液。此外，另一种方法是使用高成本的精密仪器在负极表面涂覆LiF层，从而实现基于LiF的人工SEI层。但是，形成保形的LiF涂层是一项非常困难的工作，特别是在较厚的多孔电极中，不均匀的LiF涂层在长循环过程中会导致电池失效。
在本文中，马里兰大学王春生教授课题组通过表面氟化介孔碳微球(MCMB‐F)负极的锂化作用，形成富锂的SEI界面相，显著抑制了金属锂负极的枝晶生长。具有强界面能的富LiF SEI能有效地促进Li金属在Li表面的平面生长，同时阻止其向富LiF SEI中垂直穿透形成Li枝晶。在1.2mAh cm−2的放电容量下，FEC基电解液中的Li电镀/剥离在25个循环内具有高达>99.2%的库伦效率。在正负极(P/N)容量比为1:1的情况下，将预锂化MCMB-F (Li@MCMB‐F)负极与商用LiFePO4正极耦合，得到的LiFePO4//Li@MCMB-F电池可在2.4 mAh cm−2的大面积容量下进行110次充放电，每次循环的容量衰减可忽略不计(0.01%)。
Chunyu Cui, Chongyin Yang, Nico Eidson, Ji Chen, Fudong Han, Long Chen, Chao Luo, Peng-Fei Wang, Xiulin Fan, and Chunsheng Wang. A Highly Reversible, Dendrite-Free Lithium Metal Anode Enabled by a Lithium-Fluoride-Enriched Interphase. Adv. Mater. 2020. DOI: 10.1002/adma.201906427.
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https://doi.org/10.1002/adma.201906427
2. 阿德莱德大学乔世璋教授Adv. Mater.：电子态限域多硫化物稳定高性能钠硫电池
硫作为一种有前途的电极材料，具有低成本、高理论比容量的优点，其比容量约为1675 mAh g−1，将硫正极与金属负极结合形成金属-硫电池，其具有很高的能量密度约为350 W h kg-1(基于器件)。尽管为实际的储能应用带来了希望，但由于中间金属多硫化物的溶解性，以及多硫化物和金属负极之间的寄生反应，“穿梭效应”一直是金属硫电池的一个主要缺点。限制多硫化物的关键在于对多硫化物的适当吸附，及其促进的转化动力学，这在很大程度上取决于硫正极材料的局部电子状态。然而，由于多硫化物转化过程的复杂性，当前对于多硫化物局部电子态与吸附行为的系统研究仍然非常有限。
在本文中，阿德莱德大学乔世璋教授联合华南理工大学王海辉教授等课题组首在二维金属有机骨架(2D MOF)的基础上，提出了一种实现多硫化物有效约束的新机制。结合同步辐射X射线衍射、电化学测试和理论计算结果可以得出，2D-MOF中Ni中心的动态电子态可以调节多硫化物与MOF在放电/充电过程中的相互作用，从而产生多硫化物的强吸附和快速转化动力学。由此产生的室温钠硫电池是迄今为止报告的最稳定的电池之一，这表明作者提出的新机制为开发高性能金属硫电池开辟了一条有前途的道路。
Chao Ye, Yan Jiao, Dongliang Chao, Tao Ling, Jieqiong Shan, Binwei Zhang, Qinfen Gu, Kenneth Davey, Haihui Wang, and Shi-Zhang Qiao. Electron-State Confinement of Polysulfides for Highly Stable Sodium–Sulfur Batteries. Adv. Mater. 2020. DOI: 10.1002/adma.201907557.
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3. 中国科学院金属研究所李峰研究员Adv. Energy Mater.: 具有快速离子传输动力学的阴离子调控SEI稳定锂负极
在电解液中，Li+被溶剂和阴离子溶剂化形成Li+-solvation鞘层，一旦该鞘层接触到Li金属表面，溶剂化鞘层中的溶剂分子和阴离子将被电子还原，构成SEI的主要成分，从而调节Li+的传输和沉积行为。SEI中的还原物种取决于Li+溶剂化鞘层中组分(溶剂和阴离子)的反应性和比例。由于溶剂化鞘层中溶剂分子的比例很高，因此SEI主要由溶剂衍生的有机物种(ROLi, RCOOLi, ROCO2Li)组成，并伴有少量由阴离子衍生的无机物种(LiF, Li2S, Li2O)。但是这种具有高电阻性质的SEI会导致Li+极为缓慢的传输和不均匀的电荷分布，导致极低的库仑效率(CE, 80%)并伴有枝晶生长。因此，锂电池中锂离子在锂负极电化学界面处的空间分布和传输特性直接决定了锂离子的沉积行为，而通过电解质化学调控SEI上的Li+溶剂化鞘层非常具有挑战性。
在本文中，中国科学院金属研究所李峰研究员联合成会明院士课题组通过在电解液中引入1 M三氟乙酸锂(LiTFA)来调节Li+溶剂化鞘层，该策略可以显著抑制Li枝晶的形成，并使电池在500个循环中的库仑效率高达98.8%。由于羰基(C=O)和Li+具有很强的配位作用，TFA−可以通过调节Li+溶剂化鞘层的环境，促进快速脱溶剂化动力学。此外，相对溶剂而言，TFA−的最低未占分子轨道能量较小，因此，TFA−会优先还原产生具有均匀分布LiF和Li2O的稳定SEI。这种稳定的SEI课有效降低了Li+扩散势垒，有利于低成核过电位、快速离子转移动力学和高循环稳定性的均匀Li+沉积。该工作为界面化学设计提供了一种新的思路，通过调节Li+溶剂化鞘层中的阴离子的策略，将为其它电池系统中构建稳定的SEI铺平道路。
Zhenxing Wang, Fulai Qi, Lichang Yin, Ying Shi, ChengguoSun, Baigang An, Hui-Ming Cheng, and Feng Li. An Anion-Tuned Solid Electrolyte Interphase with Fast Ion Transfer Kinetics for Stable Lithium Anodes. Adv. Energy Mater. 2020. DOI: 10.1002/aenm.201903843.
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4. 悉尼科技大学汪国秀教授Angew. Chem. Int. Ed.：揭示高能锂电池层状富锂正极材料的反应机理
层状富锂锰基(LLRM)正极材料(如xLi2MnO3•(1-x)LiMO2，M=过渡金属(TM))的出现，为设计高能量密度锂离子电池(LIBs)开辟了新的可能性。与商业LiFePO4和cathode LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(NCM 811)正极材料相比，LLRM阴极材料具有比能量高、成本低、热稳定性好等优点。然而，由于其固有的一些缺点，比如其低初始库仑效率、低倍率性能、严重的电压衰减和循环时显著的容量损耗等，使实际应用受到较大限制。由于结构和反应机理的复杂性，在过去的二十年中，高性能LLRM正极材料的发展一直受到阻碍。然而，近年来汽车工业对高能量密度可充电电池的强力需求推动了LLRM正极材料的复兴。在本文中，悉尼科技大学汪国秀教授课题组综述了近年来富锂锰基层状正极材料的结构表征和反应机理的研究进展及深入认识，特别是对过渡金属离子的阳离子氧化还原反应和氧物种的阴离子氧化还原反应机理进行了详细综述。最后，作者讨论了下一代锂离子电池LLRM正极材料未来发展面临的机遇和挑战。
Shuoqing Zhao, Kang Yan, Jinqiang Zhang, Bing Sun and Guoxiu Wang. Reviving Reaction Mechanism of Layered Lithium-Rich Cathode Materials for High-Energy Lithium-Ion Battery. Angew. Chem. Int. Ed. 2020. DOI:10.1002/ange.202000262.
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5. 复旦大学彭慧胜教授J. Mater. Chem. A: 可于-40 到160 °C下工作的钙钛矿太阳能电池织物
可穿戴的便携式电子设备有助于人类有效地执行任务，在野生探险、极地研究和太空探索等许多新兴的重要领域有着广阔的应用前景，因此，开发与柔性电子器件相应的质轻柔性电源系统极为重要。基于纤维的太阳能电池纺织物由于其轻质、柔性和透气性而受到广泛关注，为了适应各种气候与温度条件，比如南极平均气温约为-40℃，白天月球最高气温可达127℃，太阳能电池纺织物应该能够在从季节变化到极端温度条件的广泛温度范围内稳定运行。然而，目前可用的太阳能电池纺织物通常只能在室温下工作，在相对较低或较高的温度下会失效。染料敏化太阳能电池织物在高温下会发生电解液蒸发，而聚合物和复合钙钛矿型太阳能电池织物在高温下会发生老化。
在本文中，复旦大学彭慧胜教授课题组开发出一种新型的纤维基钙钛矿太阳能电池织物，在不同的工作温度下，该电池中的纤维电极周围会形成连续稳定的钙钛矿层。作者首次在Ti纤维表面制备出具有取向的TiO2纳米管，该纳米管可同时作为热应力缓冲层和电子传输层。采用复合烧结法，在CsPbBr3量子点(QDs)间隙填充的辅助下，纤维基片的弯曲表面上会形成一层晶粒尺寸约为400nm的连续而坚固的CsPbBr3层。采用该材料组装出的柔性太阳能电池织物即便在-20或100℃下保存240h，也能够保持不变的能量转换效率，而且在-40至160℃的工作温度范围内，能量转换效率仍旧可保持90%以上。
Limin Xu, Xuemei Fu, Fei Li, Xiang Shi, Xufeng Zhou, Meng Liao, Chuanrui Chen, Fan Xu, Bingjie Wang, Bo Zhang, Huisheng Peng. Perovskite solar cell textile working at -40 to 160 °C. J. Mater. Chem. A. 2020 DOI: 10.1039/C9TA13785H
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6. 天津大学许运华教授Adv.Funct. Mater.: 合理设计苯醌正极分子结构用于高性能锂离子电池
近十年来，氧化还原活性有机分子作为锂离子电池(LIBs)电极材料引起了人们极大的兴趣。p‐benzoquinone (BQ) 作为最小的醌分子，基于在≈2.7 V电压时的两电子反应，使其理论比容量为496 mAh g−1。但该材料在作为电极时存在严重的溶解问题。实际上，要降低有机分子在电解液中的溶解度，关键是要加强分子间的相互作用。为此，最简单的方法是在BQ中引入取代基以增加分子间范德华力或离子相互作用。尽管已有许多报导采用这一方法，但BQ衍生物的电化学性能仍然不足以达到高性能的标准。此外，引入的取代基或官能团通常是无电化学活性的，这将大大降低电极的容量。
在本文中，天津大学许运华教授教授课题组设计合成了两个具有近平面结构和较大骨架的BQ衍生分子：1,4‐bis(p‐benzoquinonyl)benzene(BBQB)和1,3,5‐tris(p‐benzoquinonyl)benzene (TBQB)。由于具有强烈的分子间相互作用，使得该有机材料的溶解度大大降低。当作为LIBs的正极材料时，该BQ衍生分子的羰基利用率高达100%，初始容量分别为367和397 mAhg−1。此外，具有较好平面度的BBQB分子具有优异的循环性能，在100次循环后仍保持306 mAh g−1的高容量，该循环稳定性超过了所有报导的BQ衍生小分子和大多数聚合物。
Jixing Yang, Peixun Xiong, Yeqing Shi, Pengfei Sun, Zhuanping Wang, Zifeng Chen, and Yunhua Xu. Rational Molecular Design of Benzoquinone-Derived Cathode Materials for High-Performance Lithium-Ion Batteries. Adv. Funct. Mater. 2020. DOI: 10.1002/adfm.201909597
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https://doi.org/10.1002/adfm.201909597