1. Nature Nanotechnology: 用于高能電池的金屬鋰負(fù)極的復(fù)興！

 

 

鋰離子電池對(duì)人們的日常生活產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，商業(yè)化的使用碳負(fù)極的鋰離子電池現(xiàn)已基本接近其理論容量，難以滿足便攜電子設(shè)備、電動(dòng)汽車和大規(guī)模能量存儲(chǔ)等方面越來(lái)越高的應(yīng)用要求。在可用作鋰電池負(fù)極的材料中，金屬鋰具有最大的理論能量密度（3860 mAh g−1或2061 mAh cm−3）和最低的電化學(xué)勢(shì)（相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)氫電極為-3.04 V），是下一代高能鋰電池如Li-S和Li-空氣電池的負(fù)極材料的最佳選擇。然而，金屬鋰負(fù)極在實(shí)際應(yīng)用中易生成枝晶，解決安全性和穩(wěn)定性的問(wèn)題是當(dāng)前金屬鋰負(fù)極研究的重點(diǎn)。斯坦福大學(xué)材料科學(xué)與工程系的崔屹教授（通訊作者）等人在Nature Nanotechnology發(fā)表了題為“Reviving the lithium metal anode for high-energy batteries”的綜述，首次系統(tǒng)總結(jié)了當(dāng)前對(duì)于金屬鋰負(fù)極的理解，強(qiáng)調(diào)了近期在材料設(shè)計(jì)和先進(jìn)表征方法上的重大進(jìn)展，并且為金屬鋰負(fù)極未來(lái)的研究方向提供了參考。

 

2．Advanced Energy Materials：基于二維納米材料的分層結(jié)構(gòu)用于可充電鋰電池

 

 

二維（2D）納米材料（即石墨烯及其衍生物，過(guò)渡金屬氧化物和過(guò)渡金屬二硫族元素）在能量?jī)?chǔ)存應(yīng)用中受到很多關(guān)注，因?yàn)樗鼈兙哂星八从械男再|(zhì)和極大的多樣性。然而，它們?cè)陔姌O制造過(guò)程中的重新堆疊或聚集極大地阻礙了其在可再充電鋰電池中的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。最近，基于2D納米材料的合理設(shè)計(jì)的分級(jí)結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為可再充電鋰電池應(yīng)用中有前景的候選者。研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)出許多合成策略來(lái)獲得分級(jí)結(jié)構(gòu)，并且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了基于這些層次結(jié)構(gòu)的高性能儲(chǔ)能裝置。東北師范大學(xué)的謝海明教授和清華大學(xué)的李景虹教授（共同通訊）等人在Advanced Energy Materials上發(fā)表了題為“Hierarchical Structures based on Two-Dimensional Nanomaterials for Rechargeable Lithium Batteries”的綜述，文章總結(jié)了三維（3D）多孔網(wǎng)絡(luò)納米結(jié)構(gòu)，中空納米結(jié)構(gòu)和自支撐納米陣列三種層次結(jié)構(gòu)的合成和特點(diǎn)，提出了分級(jí)結(jié)構(gòu)納米材料作為鋰離子電池、鋰硫電池和鋰空氣電池的功能材料的代表性應(yīng)用，特別是結(jié)構(gòu)工程與電化學(xué)性能改善之間的關(guān)系，并提出這個(gè)快速發(fā)展的領(lǐng)域現(xiàn)有的挑戰(zhàn)和前景。

 

3. Advanced Materials：用于鋰硫電池的納米金屬氧化物和硫化物

 

 

具有高能量密度和較長(zhǎng)循環(huán)壽命的鋰硫（Li-S）電池被認(rèn)為是常規(guī)鋰離子電池之外最有前景的下一代儲(chǔ)能系統(tǒng)之一。 研究人員已經(jīng)提出了各種方法來(lái)打破Li-S電池系統(tǒng)的技術(shù)障礙。武漢理工大學(xué)麥立強(qiáng)教授和清華大學(xué)張強(qiáng)副教授（共同通訊作者）課題組在國(guó)際頂尖期刊Advanced Materials上聯(lián)合發(fā)表了題為”Nanostructured metal Oxides and Sulfides for Lithium–Sulfur Batteries”的綜述文章。該綜述詳細(xì)報(bào)道了最近納米結(jié)構(gòu)金屬氧化物和硫化物用于增強(qiáng)硫利用率和電池壽命的文獻(xiàn)，探討了金屬氧化物/硫化物主體材料的內(nèi)部特性和電化學(xué)性能，以及以上材料在固態(tài)硫正極、隔膜或隔層、鋰金屬負(fù)極保護(hù)、鋰聚硫化物電池中的使用，最后作出了對(duì)鋰硫電池未來(lái)發(fā)展的展望。

 

4．Advanced Materials：多孔一維納米材料的設(shè)計(jì)、制備及電化學(xué)儲(chǔ)能應(yīng)用

 

 

電化學(xué)儲(chǔ)能（energy storage）技術(shù)對(duì)便攜式電子器件、交通輸運(yùn)以及大型儲(chǔ)能系統(tǒng)都是至關(guān)重要的。而多孔一維納米材料（porous one-dimensional nanomaterials）結(jié)合了一維納米結(jié)構(gòu)和多孔構(gòu)造的優(yōu)勢(shì)，極大地促進(jìn)了電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域的發(fā)展。不久前，武漢理工大學(xué)的麥立強(qiáng)教授和加州大學(xué)洛杉磯分校的Bruce Dunn教授（共同通訊）等人在頂尖期刊Advanced Materials上聯(lián)合發(fā)表了題為”Porous One-Dimensional Nanomaterials: Design, Fabrication and Applications in Electrochemical Energy Storage”的綜述文章。該篇綜述非常詳實(shí)地描述了多孔一維納米結(jié)構(gòu)、制備以及電化學(xué)儲(chǔ)能應(yīng)用，并且討論了未來(lái)的發(fā)展方向。

 

5. Advanced Materials：復(fù)雜中空結(jié)構(gòu)的可控合成及其在能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用

 

 

復(fù)雜的中空結(jié)構(gòu)（intricate hollow structures）由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征，迷人的理化性質(zhì)和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域極大地吸引了科研工作者的興趣。最近，武漢理工大學(xué)的麥立強(qiáng)教授和周亮教授（共同通訊）等人在著名材料類期刊Advanced Materials上發(fā)表了題為“Intricate Hollow Structures: Controlled Synthesis and Applications in Energy Storage and Conversion”的綜述文章。這篇綜述主要從復(fù)雜的中空結(jié)構(gòu)可控合成方法及其在能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換中的應(yīng)用這兩方面回顧了復(fù)雜中空納米結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展，主要對(duì)其合成方法論做了一個(gè)詳細(xì)的分類和講解。

 

6．Nano Energy：全固態(tài)可充電鋰電池最新進(jìn)展

 

 

化學(xué)電池在能量的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)換等方面發(fā)揮著重要作用。目前鋰離子電池由于其相對(duì)較高的能量密度而被認(rèn)為是最有前景的一類電池。傳統(tǒng)的鋰離子電池通常使用離子電導(dǎo)率相對(duì)較高的有機(jī)液體電解質(zhì)，但是存在著安全性差、壽命較短、能量密度低等一系列缺點(diǎn)。相比于使用液體電解質(zhì)的鋰離子電池，使用不可燃的固體電解質(zhì)的全固態(tài)鋰電池則可以避免這些問(wèn)題，因而正受到世界范圍研究者們廣泛的關(guān)注。而電極/電解質(zhì)界面問(wèn)題是全固態(tài)鋰電池所面臨的挑戰(zhàn)，嚴(yán)重阻礙了其發(fā)展和應(yīng)用。中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所孫春文研究員（通訊作者）、中南大學(xué)劉晉教授和上海大學(xué)張久俊教授（共同通訊）等在能源領(lǐng)域著名期刊Nano Energy上發(fā)表了題為“Recent advances in all-solid-state rechargeable lithium batteries”的綜述，系統(tǒng)總結(jié)了全固態(tài)鋰電池的最新研究進(jìn)展和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，重點(diǎn)討論了固體電解質(zhì)和電極/電解質(zhì)界面存在的問(wèn)題以及現(xiàn)有的解決方法，為全固態(tài)鋰電池未來(lái)的研究方向和新型固體電解質(zhì)材料以及電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面的研究提供了參考。

 

7. Energy &Environmental Science：可再充電鋰電池和鋰離子電池的轉(zhuǎn)換正極

 

 

以Ni和Co為基礎(chǔ)的商業(yè)化鋰離子（Li-ion）電池插層型正極材料正面臨著低比能量，高毒性和高成本的問(wèn)題。這種電池的能量存儲(chǔ)特性的進(jìn)一步增加是具有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)檫@種插層化合物的容量已經(jīng)接近其理論值，并且其最大電壓的進(jìn)一步增加會(huì)引起嚴(yán)重的安全性問(wèn)題。隨著新型應(yīng)用需要更輕，更小，更安全和更低成本的電池，以便更廣泛地使用在插電式混合動(dòng)力車和純電動(dòng)車輛（PHEV和EV），無(wú)人駕駛和可再生能源，以及便攜式儲(chǔ)能市場(chǎng)的快速擴(kuò)張，如太陽(yáng)能和風(fēng)能，因此轉(zhuǎn)換型正極材料是下一代可再充電鋰離子電池的重要選擇。這些正極的性能改進(jìn)的持續(xù)快速進(jìn)展在將來(lái)的應(yīng)用中是非常重要的。

 

佐治亞理工學(xué)院Gleb Yushin教授（通訊作者）等在能源領(lǐng)域著名期刊Energy &Environmental Science上發(fā)表了題為“Conversion cathodes for rechargeable lithium and lithium-ion batteries”的綜述。文章中作者考慮了周期表中用于轉(zhuǎn)換正極元素的價(jià)格、豐度和安全性。進(jìn)一步比較了運(yùn)用廣泛的轉(zhuǎn)換材料的特定容量和體積容量。還通過(guò)提供負(fù)極為石墨、硅（Si）和鋰負(fù)極的鋰電池的實(shí)際可實(shí)現(xiàn)的體積能量密度和比能量模型，直接觀察了正極化學(xué)的影響。同時(shí)敘述了在電池中使用轉(zhuǎn)化型活性物質(zhì)時(shí)所面臨的主要挑戰(zhàn)，以及克服它們的一般策略。最后討論了降低成本和提高性能的未來(lái)趨勢(shì)和前景。

 

8. Advanced Energy Materials：高負(fù)載和高能量的鋰硫電池

 

 

鋰硫電池由于具有高比能量、低成本和環(huán)境友好等特點(diǎn)而受到了廣泛關(guān)注。然而，在實(shí)際應(yīng)用的道路上，仍有一些挑戰(zhàn)亟待解決，循環(huán)壽命短和硫負(fù)載量低是最尖銳的難題。來(lái)自清華大學(xué)的張強(qiáng)副教授（通訊作者）等人在Advanced Energy Materials上發(fā)表了題為“Review on High-Loading and High-Energy Lithium–Sulfur Batteries”的綜述，總結(jié)了鋰硫電池研究領(lǐng)域在高硫負(fù)載量、高能量密度方面的進(jìn)展，重點(diǎn)介紹了正極的基礎(chǔ)電化學(xué)反應(yīng)，硫寄主/多硫化物/Li2S界面宿主工程，顆粒設(shè)計(jì)和電極結(jié)構(gòu)；負(fù)極的金屬鋰和非金屬負(fù)極；界面隔膜的修飾以及這些影響因素的綜合配置。

 

9. Advacned Materials：高性能Li-X(X=O2,S,Se,Te,I2,Br2)電池先進(jìn)正極材料和電池模型設(shè)計(jì)最新進(jìn)展

 

 

自1991年以來(lái)，大量電極材料（如LiNiO2、LiMn2O4和LiV3O8等）已經(jīng)被視為商業(yè)化LiCoO2正極材料的代替品。盡管這些電極材料有著改良的功率/能量密度，但是因?yàn)槠涔ぷ麟妷?、能量密度、倍率特性仍然受現(xiàn)在技術(shù)所限制，所以仍然很難找到合適的進(jìn)行大范圍商業(yè)化電動(dòng)車所需的電極材料。就這一點(diǎn)而言，人們需要發(fā)展更高功率/能量密度的鋰離子電池電極材料。同時(shí)，電極很大程度上決定了電池的理論容量和能量密度，而且就金屬鋰基負(fù)極而言，Li-X電池的電化學(xué)性能取決于X正極。來(lái)自湖南大學(xué)的馬建民副教授和北京大學(xué)的郭少軍研究員(共同通訊)等人在國(guó)際著名期刊Advacned Materials上發(fā)表了題為”Recent Progress in the Design of Advanced Cathode Materials and Battery Models for High-Performance Lithium-X (X = O2, S, Se, Te, I2, Br2) Batteries”的綜述文章。該文章討論了Li-O2、Li-S電池領(lǐng)域正極材料發(fā)展過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題及其解決方法。在新興的Li-Se、Li-Te電池中，總結(jié)了其作為鋰電池正極的優(yōu)勢(shì)以及電化學(xué)性能的最新研究進(jìn)展。在Li-I2 (Br2)新興電池中，總結(jié)了不同電池設(shè)計(jì)(例如雙電解液、全有機(jī)電解液、有/無(wú)陰極流模式和集成燃料電池/太陽(yáng)能電池)的優(yōu)勢(shì)以及電化學(xué)性能。最后概括了Li-X電池的研究進(jìn)展、主要挑戰(zhàn)和未來(lái)展望。

 

10. National Science Review：基于轉(zhuǎn)換反應(yīng)的可充電鋰金屬電池

 

 

鋰離子電池應(yīng)用于消費(fèi)電子領(lǐng)域已經(jīng)有二十年的歷史，傳統(tǒng)的鋰電池都是基于鋰離子的嵌入和脫嵌實(shí)現(xiàn)電能的存儲(chǔ)和釋放，然而，這種電池的理論容量限制了其進(jìn)一步發(fā)展。最近，來(lái)自中科院化學(xué)研究所的郭玉國(guó)研究員和中科院長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所的張新波研究員（共同通訊）等人發(fā)表了關(guān)于基于轉(zhuǎn)換反應(yīng)的可充電鋰離子電池的綜述。文中以Li-S電池和Li-O2電池為例，聚焦于新興鋰離子電池中的轉(zhuǎn)換反應(yīng)。對(duì)電池中關(guān)鍵組分的基礎(chǔ)電化學(xué)和近期研究進(jìn)展進(jìn)行了廣泛的討論，指出了在Li-S電池和Li-O2電池中轉(zhuǎn)換反應(yīng)面臨的主要問(wèn)題和解決策略，并對(duì)進(jìn)行最優(yōu)性能電池的設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述。

 

11．Advanced Materials：下一代高能電池：鋰金屬電池的復(fù)興！

 

 

鋰金屬電池（LMBs）是最有希望的下一代高能量密度存儲(chǔ)設(shè)備之一，能夠滿足新興行業(yè)的嚴(yán)格要求。然而，直接應(yīng)用金屬鋰可能帶來(lái)安全問(wèn)題、較差的倍率和循環(huán)性能，甚至負(fù)極材料在電池內(nèi)部的粉碎。其主要原因包括大極化和強(qiáng)電場(chǎng)引起的異質(zhì)沉積導(dǎo)致的枝晶生長(zhǎng)、金屬鋰極度活潑、循環(huán)時(shí)鋰體積無(wú)限變化等。這些缺點(diǎn)嚴(yán)重阻礙了LMBs的商業(yè)化。電池領(lǐng)域的各研究小組深入探討了鋰金屬負(fù)極的失效機(jī)理，提出了解決上述問(wèn)題的有效方法。并對(duì)鋰離子的沉積行為、枝晶成核和生長(zhǎng)機(jī)理、負(fù)極-電解質(zhì)界面的影響等進(jìn)行了深入研究。2014年~2016年，500多篇涉及上述難題的論文得以出版，2016年以來(lái)平均每月有15篇相關(guān)文章出爐。這些研究對(duì)下一代高能量密度LMBs鋰負(fù)極的復(fù)興起了很大作用。

 

華中科技大學(xué)的翟天佑教授和李會(huì)巧教授（共同通訊）等人在Advanced Materials上發(fā)表了題為“Reviving Lithium-metal Anodes for Next-Generation High-Energy Batteries”的綜述文章。文章介紹了鋰離子沉積/溶解行為的最新進(jìn)展，以及鋰金屬負(fù)極的失效機(jī)理。

 

12. Nature Reviews Materials：有關(guān)鋰電池化學(xué)反應(yīng)中的固態(tài)電解質(zhì)

 

 

電池在我們生活中的實(shí)際應(yīng)用起著重要的作用，包括電子消費(fèi)，提供汽車的動(dòng)力，間歇性可再生能源發(fā)電的固定負(fù)載等。然而，目前的商業(yè)化電池已經(jīng)不能滿足社會(huì)快速發(fā)展下的需求，比如便攜式電子器件、電動(dòng)車、網(wǎng)絡(luò)儲(chǔ)能系統(tǒng)的等?，F(xiàn)在電池的發(fā)展需要具有更高的能量密度、更長(zhǎng)的循環(huán)壽命，而且更安全廉價(jià)。過(guò)去200年間，絕大部分電池的研究關(guān)注的都是液態(tài)電解質(zhì)系統(tǒng)，即使其具有高導(dǎo)電性和優(yōu)秀的電極表面潤(rùn)濕性，但其電化學(xué)性能和熱穩(wěn)定性不好，離子選擇性低，安全性差。而用固態(tài)電解質(zhì)替代液態(tài)電解質(zhì)不僅克服了液態(tài)電解質(zhì)持久的問(wèn)題,也為開(kāi)發(fā)新的化學(xué)電池提供了可能性，基于這些優(yōu)點(diǎn)，固態(tài)電解質(zhì)電池的研究使用已經(jīng)出現(xiàn)迅速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。隨著不斷地研究，研究者們也已經(jīng)認(rèn)識(shí)到這些系統(tǒng)所面臨的科技問(wèn)題。德克薩斯大學(xué)的Arumugam Manthiram教授等人以“Lithium battery chemistries enabled by solid-state electrolytes”為題在Nature Reviews Materials上發(fā)表綜述，本文中提供了一個(gè)背景概覽，討論了儲(chǔ)能應(yīng)用中的固態(tài)電解質(zhì)材料的類型、離子傳輸機(jī)制和基本性質(zhì)。

 

【小結(jié)】

 

結(jié)合2017上半年度的頂刊綜述，我們可以總結(jié)出，鋰離子電池現(xiàn)階段的研究熱點(diǎn)主要集中在鋰金屬負(fù)極的研究和改性（4篇相關(guān)），分級(jí)結(jié)構(gòu)以及納米中空結(jié)構(gòu)的形貌研究（3篇相關(guān)），全固態(tài)電池及固態(tài)電解質(zhì)（3篇相關(guān)），鋰硫電池（2篇）等，但不論是哪方面的研究都是圍繞著解決鋰電池的核心問(wèn)題（能量密度，安全性，功率密度）來(lái)進(jìn)行的，這些問(wèn)題也是鋰電池現(xiàn)階段乃至將來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間研究人員所需要努力的方向。