庫倫效率的案例
鋰電池極片設(shè)計(jì)基礎(chǔ)、常見缺陷和對(duì)電池性能的影響
三、極片表面缺陷對(duì)電池性能的影響
（1）對(duì)電池倍率容量和庫倫效率的影響
圖7是團(tuán)聚體和針孔對(duì)電池倍率容量和庫倫效率的影響曲線，團(tuán)聚體居然能夠提高電池容量，但是會(huì)降低庫倫效率。針孔降低電池容量和庫倫效率，而且高倍率下庫倫效率下降幅度大。
圖 7 正極團(tuán)聚體和針孔對(duì)電池倍率容量和庫倫效率的影響
圖8是不均勻涂層、以及金屬異物Co和Al對(duì)電池倍率容量和庫倫效率的影響曲線，不均勻涂層降低電池單位質(zhì)量容量10%-20%，但是整個(gè)電池容量下降了60%，這說明極片中活物質(zhì)量明顯減少了。金屬Co異物降低容量和庫倫效率，甚至在2C和5C高倍率下，完全沒有容量發(fā)揮，這可能是由于金屬Co在電化學(xué)反應(yīng)中形成合金阻礙了脫鋰和嵌鋰，也可能是金屬顆粒堵塞了隔膜孔隙造成微短路。
圖8 正極不均勻涂層、以及金屬異物Co和Al對(duì)電池倍率容量和庫倫效率的影響
正極極片缺陷小結(jié)：
正極極片涂層中的團(tuán)聚體降低電池的庫侖效率。
正極涂層的針孔降低庫侖效率，導(dǎo)致差的倍率性能，特別是在高電流密度。
非均勻涂層顯示出較差的倍率性能。
金屬顆粒污染物可能會(huì)導(dǎo)致微短路，因此可能大大降低電池容量。
圖9 是負(fù)極漏箔條紋對(duì)電池倍率容量和庫倫效率的影響，負(fù)極出現(xiàn)漏箔時(shí)明顯降低電池的容量，但是克容量減小不明顯，對(duì)庫倫效率影響也而不大。
展開 硅基鋰電池是什么黑科技？東華大學(xué)該領(lǐng)域獲突破
目前的研究，碳的復(fù)合通常是采用化學(xué)包覆或者物理混合來實(shí)現(xiàn)，碳在復(fù)合材料中不能實(shí)現(xiàn)完全均勻的分布，導(dǎo)致在深度循環(huán)過程中庫倫效率快速衰減，循環(huán)穩(wěn)定性下降。如果能夠?qū)崿F(xiàn)碳在原子尺度下均勻分布于硅基框架中，在后續(xù)的長循環(huán)過程中，庫倫效率是否可以得到改善？
針對(duì)這一問題，研究團(tuán)隊(duì)選取苯基橋聯(lián)的有機(jī)硅前驅(qū)體，采用溶膠-凝膠法和高溫煅燒兩步反應(yīng)，制備出一種新的多孔硅基復(fù)合負(fù)極(ASD-SiOC)。由于前驅(qū)體中碳源與Si-O-Si骨架為分子尺度下的復(fù)合，所制備的ASD-SiOC負(fù)極可以實(shí)現(xiàn)碳元素的亞納米尺度分布。電化學(xué)性能測試表明，這種負(fù)極材料表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在0.2A g-1的電流密度下，第2圈庫倫效率為95.4%，從第2圈到第200圈的平均庫倫效率為99.3%。在5A g-1的大電流密度下，從第11圈到第500圈的平均庫倫效率為99.8%。
多孔硅基復(fù)合負(fù)極材料充放電過程機(jī)理研究
第一作者朱冠家表示，這種新的設(shè)計(jì)具有眾多優(yōu)點(diǎn)：活性基質(zhì)SiOx單元與碳可以實(shí)現(xiàn)原子尺度下的復(fù)合；碳三維網(wǎng)絡(luò)有效提高了材料的導(dǎo)電性；多孔結(jié)構(gòu)既緩沖了體積膨脹，又加快了鋰離子的傳輸；在后續(xù)的循環(huán)過程中，ASD-SiOC負(fù)極可以轉(zhuǎn)化為更加穩(wěn)定的復(fù)合結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)高的庫倫效率。該研究表明碳分布對(duì)于保持復(fù)合負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)和性能穩(wěn)定性具有非常重要的作用，也為硅碳復(fù)合負(fù)極材料的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)新的思路，為實(shí)現(xiàn)硅碳復(fù)合負(fù)極材料的商業(yè)化應(yīng)用注入了新動(dòng)力。
展開 老瓶裝新酒——金屬Cu箔用于高性能Li2S全電池
得益于電池反應(yīng)過程中生成的Li2S與Li2S2，鋰枝晶在Cu金屬片上的生長受到了明顯的抑制，利用Cu || Li2S 構(gòu)建出的全電池具有不亞于Li-S金屬半電池的性能，并且在循環(huán)100圈以后，仍然保持96％的庫倫效率。
【圖文導(dǎo)讀】
圖1：利用Cu箔作為負(fù)極載體構(gòu)建Cu || Li2S全電池。
（a）充放電循環(huán)后沉積在銅箔上的鋰的數(shù)碼照片。
（b）Cu || Li2S全電池充放電曲線圖。
（c）Cu || Li2S全電池充放循環(huán)圖。
圖2 Cu || Li2S電化學(xué)性能及SEM圖
（a）Cu || Li2S與Cu || LiFePO4 循環(huán)保持對(duì)比圖
（b）Cu || Li2S與Cu || Li庫倫效率對(duì)比圖
（c）Cu || Li2S與Cu || Li循環(huán)后的SEM圖
（d）Cu || Li2S 全電池抑制鋰枝晶生長示意圖。
圖3 SEI膜形成及結(jié)構(gòu)分析圖
（a）Cu || Li2S與Cu || Li 全電池SEI膜的XPS分析。
（b）Cu || Li2S 全電池的EDX分析
（c）Cu || Li2S均勻鋰沉積示意圖。
【小結(jié)】
本文利用常見的Cu箔替換鋰金屬片作為負(fù)極載體，構(gòu)建出了一種新型的Cu || Li2S全電池結(jié)構(gòu)。電池反應(yīng)生成的Li2S與Li2S2形成出了適合鋰離子沉積的保護(hù)層，促進(jìn)鋰離子均勻沉積于Cu基底表面，極大的提高了Li-S電池的循環(huán)穩(wěn)定性以及庫倫效率。
展開 上海交大《AFM》：抑制鋰枝晶生長！氮氧共摻雜碳納米片陣列
然而，鋰金屬電池充放電過程中的低庫侖效率（CE）和鋰枝晶生長導(dǎo)致電池循環(huán)壽命短，阻礙了其實(shí)際應(yīng)用。近年來，人們發(fā)現(xiàn)鋰金屬電池失效的主要原因是庫倫效率低、活性鋰消耗或電解質(zhì)耗盡，而低庫倫效率主要是由“死”鋰形成引起的，這與金屬鋰沉積形態(tài)有關(guān)。因此，研究控制鋰離子電鍍/剝離行為、減少非活性鋰沉積的方法對(duì)鋰金屬電池的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。
上海交通大學(xué)和加拿大阿爾伯塔大學(xué)的科研人員通過聚合物界面自組裝和熱解工藝在銅箔上構(gòu)建了氮氧共摻雜垂直碳納米片陣列(NOCA@Cu)，作為提高庫侖效率和抑制鋰枝晶生長的有效載體。得益于大量的垂直多孔通道和豐富的親鋰雜原子摻雜，三維結(jié)構(gòu)NOCA@Cu在碳酸鹽電解液和乙 醚電解液中，能以可控的方式引導(dǎo)鋰的成核和生長，從而無鋰枝晶沉積，材料具有高庫倫效率和長循環(huán)壽命。有限元模擬進(jìn)一步揭示了垂直碳陣列的結(jié)構(gòu)功能，它不僅指導(dǎo)了有限空間的納米陣列中的鋰離子沉積，而且使整個(gè)三維電極中離子濃度和電場均勻分布。相關(guān)論文以題目為“N,O-Codoped Carbon Nanosheet Array Enabling Stable Lithium Metal Anode”發(fā)表在Advanced Functional Materials上。
原文鏈接：
https://doi-org.fjny.80599.net/10.1002/adfm.202102354
在本文中，作者通過聚合物界面自組裝和碳化在商用銅箔集流體上大面積涂覆聚合物衍生的氮氧共摻雜垂直排列的碳納米片陣列，其有效三維結(jié)構(gòu)能得到安全和無鋰枝晶的鋰金屬電池。研究發(fā)現(xiàn)，銅表面聚合物層的不同取向模式（垂直或水平）對(duì)雜原子摻雜和衍生碳的拓?fù)淙毕萦泻艽蟮挠绊憽?/span>
展開 
Nat. Mater: 用于含水電池的高度可逆的鋅金屬陽極
然而，堿性電解質(zhì)中的鋅負(fù)極持續(xù)遭受由其沉積/溶解的低庫侖效率（CE），循環(huán)過程中的樹枝狀晶體生長，持續(xù)的水消耗和不可逆的副產(chǎn)物如氫氧化鋅或鋅酸鹽引起的嚴(yán)重不可逆性問題。雖然中性電解質(zhì)中鋅枝晶的形成可以被最小化，但其低庫侖效率仍然是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。在大多數(shù)之前的報(bào)道中，必須使用高充電/放電速率來減少可逆性對(duì)循環(huán)壽命的影響，并且經(jīng)常需要定期補(bǔ)充電解質(zhì)以補(bǔ)償水分解。鋅還必須大量過量使用以補(bǔ)償其副反應(yīng)的消耗量，這導(dǎo)致其理論比容量未被充分利用。因此，鋅負(fù)極的開發(fā)仍然面臨巨大的挑戰(zhàn)。
【成果簡介】
近日，美國馬里蘭大學(xué)的王春生教授聯(lián)合美國陸軍實(shí)驗(yàn)室許康研究員（共同通訊作者）報(bào)道了高濃度的Zn離子電解質(zhì)（以下稱為HCZE）。王飛博士（自然材料文章的第一作者）利用高濃度的基質(zhì)電解液中（1 mol Zn(TFSI)2 + 20 mol LiTFSI），Zn負(fù)極的庫倫效率達(dá)到接近100%，意味著非常好的可逆性。以Zn為負(fù)極，LiMn2O4或O2為正極進(jìn)行電池測試，使Zn電池具有前所未有的可逆性。前者功率為180Whkg-1，4000次循環(huán)下仍保持80％的容量，而后者的輸出功率為300 W h kg-1，循環(huán)次數(shù)大于200次。結(jié)構(gòu)和光譜研究結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬表明，這種優(yōu)異的Zn可逆性源于高濃度含水電解質(zhì)中Zn2+獨(dú)特的溶劑化結(jié)構(gòu)。由于TFSI陰離子的高濃度，迫使它們進(jìn)入Zn2+附近，從而形成緊密離子對(duì) (Zn-TFSI)+，并顯著抑制(Zn-(H2O)6)2+的存在。這一機(jī)理為高效利用鋅提供了一條新的途徑，可用于高安全性的先進(jìn)能源儲(chǔ)存應(yīng)用，并可能用于其他多價(jià)陽離子電池，這些多價(jià)陽離子通常具有較差的可逆性和緩慢的動(dòng)力學(xué)問題。
展開 清華大學(xué)徐成俊&董留兵Energy Storage Materials:基于多價(jià)態(tài)離子存儲(chǔ)理論構(gòu)筑的
體系儲(chǔ)能機(jī)理分析
進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在硫酸鋅電解液體系下，該鋅離子混合超級(jí)電容器存在錳離子溶解、副產(chǎn)物堿式硫酸鋅生成/溶解的部分不可逆性問題，導(dǎo)致器件循環(huán)性能不理想、庫倫效率不高等（圖3）。因此作者對(duì)電解液組分進(jìn)行了調(diào)控：電解液中引入Mn2+以減緩二氧化錳電極溶解、以(CF3SO3)-離子取代SO42-陰離子抑制堿式硫酸鋅的生成，顯著改善了該器件的循環(huán)穩(wěn)定性和庫倫效率。
論文的共同通訊作者董留兵博士介紹說：該鋅離子混合超級(jí)電容器是在本課題組早期研究的活性炭//金屬鋅混合超級(jí)電容器（Energy Storage Materials, 2018, 13, 96-102）基礎(chǔ)上的一個(gè)突破，實(shí)現(xiàn)了金屬氧化物//碳體系下的鋅離子存儲(chǔ)，金屬氧化物和碳材料的多樣性將使得該儲(chǔ)能體系具有廣闊的研究空間；該體系賦予二氧化錳//活性炭這一超電領(lǐng)域的“經(jīng)典搭配”以新的生命力，對(duì)于推進(jìn)鋅離子混合超級(jí)電容器的實(shí)用化具有重要意義；此外，水系、安全/環(huán)保、優(yōu)異的電化學(xué)性能等優(yōu)勢也將使得該體系在柔性可穿戴儲(chǔ)能領(lǐng)域大有可為。
本研究工作得到了國家973項(xiàng)目、深圳市科技計(jì)劃項(xiàng)目和中美電動(dòng)汽車專項(xiàng)等提供的支持。
文獻(xiàn)鏈接：Xinpei Ma, Junye Cheng, Liubing Dong, Wenbao Liu, Jian Mou, Ling Zhao, Jinjie Wang, Danyang Ren, Junlin Wu, Chengjun Xu, Feiyu Kang. Multivalent Ion Storage Towards High-Performance Aqueous Zinc-Ion Hybrid Supercapacitors.
展開 東華大學(xué)武培怡/焦玉聰團(tuán)隊(duì)《Small》：電解液添加劑助力水系鋅離子電池實(shí)現(xiàn)寬溫度范圍內(nèi)無枝晶生長
由于DMSO加入后對(duì)體系中氫鍵進(jìn)行了重構(gòu)，20 DMSO的電解液在-20℃展現(xiàn)了較高的離子電導(dǎo)率（1.98 mS cm-1），優(yōu)越的電鍍/剝離性能（1200 h），高庫倫效率（97.5%），長循環(huán)性能，高容量保留能力（300 cycles，70 mA h g-1）及良好的倍率性能。
圖7. -20℃下20 DMSO電解液電池的電化學(xué)性能。
以上研究成果近期以”Immunizing Aqueous Zn Batteries against Dendrite Formation and Side Reactions at Various Temperatures via Electrolyte Additives” 為題，發(fā)表在《Small》（Small 2021， DOI: 10.1002/smll.202103195）上。東華大學(xué)化學(xué)化工與生物工程學(xué)院博士研究生馮豆豆為文章第一作者，武培怡教授和焦玉聰研究員為論文共同通訊作者。
該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金和上海市自然科學(xué)基金的資助與支持。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1002/smll.202103195
展開 《Nature Energy》：通過壓力控制鋰金屬的沉積和溶解！
（文：Navigator）
圖1.定量分析壓力對(duì)鋰金屬負(fù)極庫倫效率以及沉積層形貌的影響。 a、壓力實(shí)驗(yàn)設(shè)置和Li-Cu電池的調(diào)控。 b，在不同堆疊壓力下，電流密度為1.0、1.5和2.0 mA cm-2 的第一次循環(huán)庫倫效率，所有電鍍?yōu)? mAh cm-2，剝離至1 V。每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的電壓分布可在源數(shù)據(jù)文件中找到。 c，在高電流密度(2mA cm-2)、高負(fù)載(4mAh cm-2)和優(yōu)化壓力條件(350kPa)下沉積鋰的光學(xué)圖像。 d-k，在2 mA cm-2下沉積1h (2 mAh cm-2)，在70kPa (d,h)，140kPa (e,i)，210kPa (f,j)和350kPa (g,k)下沉積Li的俯視圖(d-g)和橫截面(h-k)。l-o，疊加壓力分別為70 kPa (l)、140 kPa (m)、210kPa (n)和350kPa (o)，在2mA cm-2下沉積10min (0.333 mAh cm-2) 鋰的橫截面SEM圖像。插圖:沉積的鋰微觀形貌示意圖。P-r，純鋰沉積的電極厚度(p)，電極孔隙度(q)和歸一化體積(r)。
展開 《AFM》：超強(qiáng)性能的石墨烯包覆氧化亞硅負(fù)極材料！
全電池在1 C下的循環(huán)性能和庫倫效率；c) D-SiO@G//LFP全電池成功點(diǎn)亮LED矩陣
總之，作者以煤炭腐殖酸為碳源，開發(fā)了一種簡單的原位合成高性能鋰離子電池氧化亞硅和石墨烯負(fù)極材料方法，作者用各種表征方法證實(shí)了同時(shí)發(fā)生的腐殖酸向石墨烯的轉(zhuǎn)化和氧化亞硅的歧化反應(yīng)，其中包覆良好的石墨烯層阻止了電解液與氧化亞硅顆粒之間的反應(yīng)，同時(shí)顯著提高了氧化亞硅負(fù)極的導(dǎo)電性。
東華大學(xué)武培怡/焦玉聰團(tuán)隊(duì)《Adv. Sci.》：凝膠電解質(zhì)官能團(tuán)助力鋅金屬（002）晶面成核
由PZIB凝膠電解質(zhì)組裝的Zn/Cu電池展現(xiàn)出較高的庫倫效率（99.6%），顯著優(yōu)于液態(tài)電解質(zhì)，表明PZIB凝膠電解質(zhì)在誘導(dǎo)鋅離子無枝晶沉積、均勻界面電場和抑制副反應(yīng)方面的作用。
圖3. PZIB凝膠電解質(zhì)的電鍍/剝離電化學(xué)性能
作者通過LSV、Tafel、XRD、SEM及DFT等深入探究PZIB凝膠電解質(zhì)對(duì)枝晶及副反應(yīng)的抑制機(jī)制。與液態(tài)電解質(zhì)相比，PZIB凝膠電解質(zhì)展現(xiàn)了更寬的電化學(xué)穩(wěn)定窗口，說明了PZIB凝膠電解質(zhì)較高的電化學(xué)穩(wěn)定性。LSV及Tafel測試證明了PZIB凝膠電解質(zhì)對(duì)電化學(xué)過程中析氫（低響應(yīng)電流相比于液態(tài)電解質(zhì)）及腐蝕副反應(yīng)（高腐蝕電位相比于液態(tài)電解質(zhì)）的抑制。XRD（循環(huán)過程中002晶面的峰逐漸增強(qiáng)）及SEM（平行生長的六邊形結(jié)構(gòu)）證實(shí)了PZIB凝膠電解質(zhì)促進(jìn)循環(huán)過程中Zn（002）晶面的優(yōu)先生長，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋅枝晶生長的抑制。DFT結(jié)果表明VIPS中咪唑基團(tuán)與SO3-基團(tuán)協(xié)同促進(jìn)（002）晶面形成。
圖4. PZIB凝膠電解質(zhì)對(duì)鋅枝晶及副反應(yīng)的抑制機(jī)制
為了進(jìn)一步證明PZIB凝膠電解質(zhì)在鋅離子電池上的優(yōu)越性，對(duì)離子電導(dǎo)率和Zn2+遷移數(shù)進(jìn)行了表征。PZIB凝膠電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率和遷移數(shù)（21.88 mS cm-1，0.74）遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于液體電解質(zhì)（9.75 mS cm-1，0.44），這歸因于PZIB凝膠電解質(zhì)對(duì)枝晶及副反應(yīng)的抑制。
展開 東京工業(yè)大學(xué)開發(fā)碳-空氣電池 推動(dòng)下一代儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)展
然而，這些系統(tǒng)的效率較低，通常需要擴(kuò)大規(guī)模，從而導(dǎo)致熱管理較為復(fù)雜，并降低能量和功率密度。
（圖片來源：techxplore）
據(jù)外媒報(bào)道，東京工業(yè)大學(xué)（Tokyo Tech）的研究人員提出一種替代性電能儲(chǔ)存系統(tǒng)，以碳為能源，而不是氫氣。新系統(tǒng)名為碳/空氣二次電池（CASB），由固體氧化物燃料和電解電芯（SOFC/ECs）構(gòu)成，利用電解二氧化碳（CO2）產(chǎn)生的碳，與空氣氧化產(chǎn)生能量。通過向SOFC/ECs供應(yīng)壓縮液化CO2，以構(gòu)建能量儲(chǔ)存系統(tǒng)。
研究人員表示，CASB類似于電池，利用可再生能源產(chǎn)生的能量充電，將CO2還原為C。在隨后的放電階段，C被氧化以產(chǎn)生能量。由于碳被儲(chǔ)存在SOFCs/ECs的有限空間中，CASB的能量密度受限于其可容納的碳數(shù)量。盡管如此，研究人員發(fā)現(xiàn)，與氫儲(chǔ)存系統(tǒng)相比，CASB擁有更高的體積能量密度。
電池性能的另一個(gè)指標(biāo)是充放電效率。為了評(píng)估這一指標(biāo)，研究人員進(jìn)行充放電實(shí)驗(yàn)，并觀察到C和CO2之間的轉(zhuǎn)換是由于“波多反應(yīng)”（Boudouard reactions），其特征是CO、CO2和C的混合物發(fā)生氧化還原反應(yīng)。在充電期間，通過電化學(xué)還原CO2，以及波多分解還原CO，將C沉積在電極上。在放電期間，通過波多氣化反應(yīng)和電化學(xué)氧化，C被分別氧化成CO和CO2。研究人員發(fā)現(xiàn)，CASB用于發(fā)電的C利用率，取決于3種不同碳物種(C、CO2、CO)之間的平衡，也就是所謂的“波多平衡”。
CASB系統(tǒng)能夠利用沉積在電極上的大部分碳發(fā)電，并表現(xiàn)出高達(dá)84%的庫倫效率。這表明，表明大部分儲(chǔ)存的能量可在放電階段獲得。此外，在800℃和100 mA cm -2 下，功率密度高達(dá)80 mW/cm2，可保持38%的充放電效率。
展開 
4680電池制程、技術(shù)、產(chǎn)業(yè)鏈
Part 3：4680驅(qū)動(dòng)高能量高倍率主輔材應(yīng)用，為結(jié)構(gòu)件和設(shè)備升級(jí)帶來新機(jī)遇
1）高鎳正極：對(duì)能量密度的持續(xù)追求
2）硅基負(fù)極：下一代主流負(fù)極材料，4680量產(chǎn)帶動(dòng)需求爆發(fā)
硅基負(fù)極材料作為理想的下一代負(fù)極材料，純硅比容量是石墨的10倍，但純硅在充電過程中膨脹近3x，目前采用氧化硅摻雜，目前摻雜含量約5%，4680電池有望提升至10%以上
3）補(bǔ)鋰劑：補(bǔ)齊硅碳負(fù)極首次庫倫效率短板
首次庫倫效率是硅碳負(fù)極的短板：鋰電池在首次充電過程中，有機(jī)電解液會(huì)在石墨等負(fù)極表面還原分解，形成固體電解質(zhì)相界面(SEI)膜，永久地消耗大量來自正極的鋰，造成電池容量的不可逆損失，目前石墨不可逆容量損失＞6%，而對(duì)于具有高比容量的硅基負(fù)極，不可逆容量損失甚至10%～20% 以上
硅碳負(fù)極除首效低外，循環(huán)過程中SEI膜會(huì)“呼吸”再生，降低循環(huán)壽命，對(duì)補(bǔ)鋰劑需求更強(qiáng)烈：硅碳負(fù)極的膨脹相較石墨負(fù)極更為嚴(yán)重，致使負(fù)極材料不斷粉化、脫落，增加與電解液接觸的表面積，因此形成的SEI膜更厚?
正極補(bǔ)鋰的原理：在正極合漿的過程中添加少量高鋰容量、低脫鋰電位的材料（補(bǔ)鋰劑），在充電過程中Li+率先從補(bǔ)鋰劑中脫出，抵消SEI膜造成的不可逆鋰損耗，提高電池的有效容量，彌補(bǔ)硅碳負(fù)極在首次庫倫效率上的短板
4）碳納米管：硅碳負(fù)極將拉動(dòng)單壁碳納米管的用量
由于硅碳負(fù)極材料的導(dǎo)電性能差，因此需要添加碳納米管（CNT）以增加活性物質(zhì)之間的導(dǎo)電性，提升電池能量密度
根據(jù)石墨烯片的多少，碳納米管可分為單壁碳納米管和多壁碳納米管：多壁碳納米管具有較高的剛性，而單壁碳納米管柔韌性強(qiáng)、長徑比更高、有效添加量僅為0.1%，可有效解決硅碳電池在充放電過程中導(dǎo)致的體積膨脹和裂縫問題
展開 中科院寧波材料所：納米硅基負(fù)極材料研究取得進(jìn)展
但硅負(fù)極材料在充放電循環(huán)過程中存在體積變化（高達(dá)3倍以上），造成硅顆粒粉化，從而引發(fā)SEI膜反復(fù)再生庫倫效率低，電接觸變差極化增大，使實(shí)際硅負(fù)極材料循環(huán)壽命和倍率性能較差。
中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所動(dòng)力鋰電池工程實(shí)驗(yàn)室自2011年開展硅基負(fù)極材料的研究開發(fā)，已取得系列進(jìn)展。2012年報(bào)道了一種三維多孔的納米硅/石墨烯復(fù)合負(fù)極材料。近日，又報(bào)道了一種新型二維納米硅/二氧化硅復(fù)合負(fù)極材料（2D nano-Si/SiO2）。該工作利用層狀結(jié)構(gòu)CaSi2的拓?fù)滢D(zhuǎn)變，在酸性溶液中化學(xué)剝離Ca原子，留下單原子層褶皺狀硅烯，由于Si原子只存在sp3雜化，硅烯極不穩(wěn)定，在水溶液中氧化得到亞穩(wěn)態(tài)二維硅氧烯，二維硅氧烯經(jīng)過合適的熱處理?xiàng)l件脫水歧化得到二維納米硅/二氧化硅復(fù)合負(fù)極材料（2D nano-Si/SiO2），其中納米硅均勻分散于無定型硅氧化物。二維結(jié)構(gòu)可有效減少鋰離子遷移路程，納米硅和硅氧化物可有效降低了體積膨脹率，因此采用該方法制備的2D nano-Si/SiO2@C表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。該研究工作以“Two-dimensional silicon suboxides nanostructures with Si nanodomains confined in amorphous SiO2 derived from siloxene as high performance anode for Li-ion batteries”為題發(fā)表在Nano Energy上。
【圖文導(dǎo)讀】
圖1 示意圖及性能表征
（a）硅氧烯剝離過程示意圖。
（b）硅氧烯分子結(jié)構(gòu)示意圖。
（c）碳包覆二維納米硅/二氧化硅復(fù)合納米負(fù)極材料的微結(jié)構(gòu)示意圖。
展開 鋰電新突破：碳納米管薄膜包覆陽極 電量提升3~5倍
此外電池的庫倫效率保持在 99.8%，成品也更易于打造。
左一起為萊斯大學(xué)化學(xué)家 James Tour、研究生 Gladys López-Silva、以及博士后研究員 Rodrigo Salvatierra 。
不過 Salvatierra 解釋到：與早先的瀝青電池相比，它有一些不同的地方。
首先，我們用碳納米管薄膜來修飾固態(tài)的鋰金屬箔，這兩種材料早已做好了被電池所用的準(zhǔn)備。
其次，在瀝青衍生的電極中，鋰金屬必須進(jìn)行電化學(xué)沉積，才能在完整的電池裝置中使用。
最終，采用這種新型陽極的電池，能夠較市售產(chǎn)品存儲(chǔ) 3~5 倍的電量。即便充滿后放置一個(gè)月，其電荷損失也都可以忽略不計(jì)。換言之，它會(huì)是一種可靠的長期儲(chǔ)能解決方案。
有關(guān)這項(xiàng)研究的詳情，已經(jīng)發(fā)表在近日出版的《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）期刊上。原標(biāo)題為：《Suppressing Li Metal Dendrites Through a Solid Li‐Ion Backup Layer》
全文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201803869
來源：高分子科學(xué)前沿
展開 綜述：MOFs用于電池的進(jìn)展，策略，挑戰(zhàn)及解決方法
對(duì)于鋰離子電池，具有氧化還原活性和豐富鋰插嵌位點(diǎn)的MOFs是比較好的選擇，但是目前純MOFs作為電極材料仍存在比容量低、首次循環(huán)庫倫效率低、導(dǎo)電性差等挑戰(zhàn)。對(duì)于鋰硫電池，具有能夠吸附多硫化鋰位點(diǎn)的MOFs更具實(shí)用價(jià)值，另外導(dǎo)電組分的引入也能讓MOFs作為載硫材料具有更好的電化學(xué)性能。
MOFs用于鋰空氣電池的研究還比較少，其中MOFs作為選擇性膜以隔絕空氣中的水分和二氧化碳也是一個(gè)研究方向。對(duì)于鈉離子電池，具有氧化還原活性、好的晶體結(jié)構(gòu)完整性、足夠大的鈉離子鑲嵌位點(diǎn)的MOFs更有潛力，但同時(shí)也面臨著和鋰離子電池類似的挑戰(zhàn)。很多研究還以MOFs作為犧牲模板，制備具有特殊化學(xué)組成和孔道結(jié)構(gòu)的碳、金屬化合物以及它們的復(fù)合物等衍生材料。和MOFs相比，這些衍生材料具有導(dǎo)電性好、容易合成復(fù)雜結(jié)構(gòu)、具有特殊的電化學(xué)活性位點(diǎn)等特點(diǎn)，在電池領(lǐng)域有著更為出色的應(yīng)用前景。對(duì)于實(shí)際應(yīng)用，需要對(duì)電池的質(zhì)量/體積比能量密度、倍率性能、循環(huán)穩(wěn)定性和成本進(jìn)行綜合考慮，只有這樣，MOFs及其衍生材料才有機(jī)會(huì)真正走出實(shí)驗(yàn)室、走向工業(yè)化應(yīng)用。
高性能電極材料制備準(zhǔn)則
相關(guān)論文在線發(fā)表在Joule（DOI: https://doi.org/10.1016/j.joule.2018.09.019）上，第一作者是工學(xué)院博士生趙若，博士生梁子彬?yàn)楣餐髡撸摴ぷ鞯玫絿易匀豢茖W(xué)基金委、國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃等經(jīng)費(fèi)支持。（來源：北京大學(xué)）
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