鋰氧電池的案例
“會呼吸的木頭”成就高性能鋰氧電池
Mater：“會呼吸的木頭”成就高性能鋰氧電池
【引言】
近年，鋰氧電池作為新一代儲能器件備受關注，通常而言，非水系的鋰氧電池由金屬鋰負極、非水系電解質、多孔催化正極這三個重要部分構成。鋰氧電池中正極的構造至關重要，它直接決定著鋰離子傳輸動力學、電子傳導、氧氣擴散、放電產物的生長等。鋰氧電池放電過程中，在正極中鋰離子逐漸與氧氣發生反應生成Li2O2固體，無法溶解的Li2O2固體則會將氧氣與鋰離子的傳輸通道堵塞而降低正極的活性面積。理想的正極結構需要包含開孔型大孔與豐富的微孔，利于氧氣的傳輸和放電產物的積累，從而能夠賦予鋰氧電池優異的電化學性能。
【成果簡介】
近日，美國馬里蘭大學帕克分校的胡良兵教授（通訊作者）團隊在Advanced Energy Materials 上發表最新研究成果 “Hierarchically Porous, Ultrathick, “Breathable” Wood-Derived Cathode for Lithium-Oxygen Batteries”，該成果第一作者為宋慧宇副教授，現任職于華南理工大學化學與化工學院。在該文中，研究者從自然界中擁有層級多孔結構的木頭上獲得啟發，設計了以“會呼吸”的碳化并活性化的木頭為基底，在其多孔微型孔道中負載釕納米顆粒，構筑了鋰氧電池正極材料。微型孔道有利于氧氣擴散傳輸，其中豐富多級孔的存在使得正極材料能夠被電解質完全浸潤，孔道壁上形成的電解質薄層確保了鋰離子的快速傳輸。以碳化活性木頭/釕（厚度約700 μm）為正極的鋰氧電池表現出高的面積比電容（0.1 mA cm-2 電流密度，8.58 mA h cm-2）和優異的充放電循環性能；若增加正極的厚度至3.4 mm，鋰氧電池的面積比電容將提高至56.0 mA h cm-2。
展開 南大《ESM》：鋰氧電池用二維鉬基化合物的催化性能和電子結構
南京大學何平教授團隊將三種二維鉬基化合物MoN、MoO3和MoS2用作鋰氧電池的負極催化劑，綜合比較了這些催化劑的催化性能和電子結構
。電化學測試結果顯示MoN負極具有優異的電池性能，其最高放電比容量約為7400mAh g?1，最低放電/充電過電位為0.19/0.72V。此外，通過密度泛函理論計算，詳細研究了MoN與Li2O2產物的界面性質以及以MoN為負極的鋰氧電池的反應途徑，從原子水平解釋了MoN的優異催化性能。相關論文以題為“Two-dimensional Mo-based compounds for the Li-O2 batteries: Catalytic performance and electronic structure studies”發表在Energy Storage Materials期刊上。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.06.036
為了滿足經濟和社會發展日益增長的需求，能源轉換和能源儲存，特別是金屬空氣電池和金屬離子二次電池一直是科學研究的重點。在這些體系中，鋰氧電池利用了Li2O2的可逆形成和分解，具有超高的理論比容量，被認為是最有前途的能源體系。然而，在鋰氧二次電池商業化之前，還有許多問題需要解決，目前，鋰氧電池的性能主要受到負極上緩慢而復雜的氧化還原反應和析氧反應的限制，導致電池過電位大，放電容量有限，循環壽命短。因此，各種催化劑被應用于提高鋰氧電池氧化還原反應/析氧反應的反應動力學和電化學性能，包括碳質材料、貴金屬、過渡金屬氧化物、鈣鈦礦等。
近年來，二維（2D）材料由于具有較大的電活性比表面積，有利于質量快速傳輸，為化學/電化學反應提供了足夠的催化位點，成為電催化、儲能等領域的研究熱點。
展開 鋰氧電池高容量正極材料花球狀碳微球的三維復刻構筑
活性物質和電極的多孔結構設計是實現鋰氧電池中氧氣電極高容量和良好可逆性的關鍵措施.
武漢理工大學劉金平課題組報道了一種新穎的三維復刻策略, 并用于設計鋰氧電池氧氣電極用多孔碳材料的三維結構. 文章近期發表于Science China Materials, 2018, doi:10.1007/s40843-018-9367-3
圖1 三維復刻納米材料的路線
作為一個實例, 采用聚多巴胺包覆層為碳源, 通過完整復制納米結構氧化鋅模板的形貌, 成功地制備了由扭曲的中空碳納米片組裝而成的花球狀碳微球.
作為氧氣電極的活性物質, 花球狀碳微球的三維多孔結構不僅能容納放電產物過氧化鋰, 同時也能保持離子和氣體的擴散通道. 此外, 氮摻雜引入的高缺陷為氧還原/析出反應提供了充足的活性位點. 從而, 花球狀碳微球表現出高達
9163.7?mAh/g
的比容量和優異的可逆性.
本工作呈現了一種用于能源存儲和轉化的多孔碳材料的三維結構的有效可控制備方法, 即復制過渡金屬氧化物模板的納米結構.
來源：中國科學材料
展開 交錯組裝碳納米管制備超高比容量鋰金屬負極用于鋰氧電池
【研究背景】
隨著現代電子設備、電網存儲和電動汽車的快速發展，對高能量密度電池的需求變得比過去任何時候都更加緊迫。鋰-氧電池具有超高的理論能量密度，而被認為是下一代電力系統的主力軍，但目前仍無法在保持高能量存儲能力的同時保證鋰負極的安全性和循環效率。目前為解決這些問題，一方面是嘗試在鋰金屬表面制備保護膜以提高鋰/電解質界面的穩定性；另一方面則是探索合金鋰負極如鋰化硅和鋰/石墨烯復合物來代替金屬鋰。然而，這兩種方法都需要引入電化學惰性或低容量的第二組分，大大降低活性鋰的負荷量和利用率，導致了低比容量，這與研究高能量密度的Li-O2電池的初衷背道而馳。因此，急需研究可以保持高比容量的同時提高安全性和循環效率的電池系統。
【成果簡介】
近日，復旦大學彭慧勝教授團隊為克服這一挑戰，將取向碳納米管交叉堆疊成多孔網絡，用于形成超高容量的鋰負極。該新型負極具有高達3656 mAh/g的可逆比容量，接近純鋰的理論容量3861 mAh/g。當該負極用于鋰氧全電池時，由于無枝晶產生和穩定的固體電解質界面，循環穩定性顯著提高。這項工作通過設計一維導電納米材料的交叉堆疊和對齊結構，推進了高性能鋰-氧電池向實際應用的發展。該成果近日以題為“Stabilizing lithium into cross-stacked nanotube sheets with ultra-high specific capacity for lithium oxygen battery”發表在知名期刊Angew. Chem. Int. Ed上。
展開 
復旦大學彭慧勝團隊新突破：鋰電池容量接近理論值
將該復合鋰金屬負極構建鋰氧全電池表現出大幅提升的循環穩定性。
圖2. 交錯碳納米管復合鋰金屬負極(Li/3D-CSC)與其他應用于鋰氧電池中的負極性能對比(左)及與其他典型鋰電極的性能對比(右)。
該研究中提出的通過一維納米材料構筑層層交錯結構在結構化鋰負極及相關電池構建中具備普適性。未來研究課進一步優化鋰金屬骨架的幾何微結構、材料構成及設計界面，繼續提升鋰負極的穩定性和電化學性能，從而得到更高性能的鋰氧電池助力電動汽車等領域的發展。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201814324?af=R
來源：學術幫
展開 用以實現鋰氧電池穩定的鋰金屬循環
除了鋰離子，非水基鋰氧(Li2O2)電池通常包括Li-金屬陽極、容納Li2O2生長的多孔陰極框架和作為活性材料的外部氣態O2供應系統，由于該電池具有非常高的比能量(3500 Wh/kg的理論值和500-1000 Wh/kg的實際值)而受到特別關注。鋰金屬電極的高效利用對于最大化鋰-氧(Li-O2)電池的比能量至關重要。然而，許多支持鋰-氧陰極過程的傳統電解質(如DMSO、DMSO)與鋰金屬不相容。
來自英國利物浦大學等單位的研究人員探索了一系列基于溶劑、鹽和離子液體的三元溶液，以了解如何通過定制配方來提高鋰金屬電極上DMSO的穩定性和性能。相關論文發表在Advanced Functional Materials。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202010627
該研究的優化配方有助于穩定的鋰電鍍/剝離性能，庫侖效率> 94%，并且能夠提高鋰-氧全電池的性能。鋰表面的表征揭示了在優化的配方中樹枝狀沉積和腐蝕的抑制以及界面處分解反應的調節機理。這些觀察結果與光譜表征和局部溶劑化的模擬相關，這表明DMSO-鋰陽離子相互作用的持續重要性。其中，穩定性仍然依賴于溶液中的摩爾比，并且4
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1的溶劑-鹽比對于這些三元配方是至關重要的。
圖1|i)鋰|電解質|鋰電池的恒電流循環。
展開 ：原位構筑聚1,3-二氧戊環基電解質用于安全的鋰金屬電池
液體電解質（LE）不僅存在泄露和可燃性問題，而且在鋰金屬電池（LMB）充放電過程中存在枝晶鋰的生成和過熱現象，造成可怕的安全隱患。而由功能性的聚合物骨架材料和液體電解質構成的凝膠聚合物電解質（GPE）擁有高的離子電導率，高的鋰離子遷移數，寬的電化學窗口和稀少的電解液泄露等優勢，被廣泛深入地研究。北京化工大學材料學院隋剛教授近年來已經開發了多種性能優異的凝膠聚合物電解質材料，可應用于不同電池體系如高壓的三元NCM和鈷酸鋰電池，鋰硫電池，錳酸鋰電池等（Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1702561; Chem. Eng. J. 2019, 370, 1068–1076; J. Membrane Sci. 2019, 588, 117194; ACS Sustainable Chem. Eng. 2016, 4, 4498?4505; J. Mater. Chem. A, 2016, 4, 12136-12143; J. Membrane Sci. 2015, 492, 77-87; J. Power Sources 2014, 267, 309-315），獲得相關授權專利近20項，并受邀撰寫凝膠聚合物電解質研究工作綜述（J. Energy Chem. 2019, 37, 126-142）。在這里，通過新型的原位聚合方法將其中的低閃點、易燃燒、易泄露的LE轉換為高分子量的聚合物，將進一步地提升電池的安全性能，同時有效解決了固態電解質和電極的界面接觸問題。
展開 南開大學陳軍院士課題組以廉價原料制備“可呼吸”鈉-二氧化碳電池
南開大學化學學院陳軍院士課題組在利用廉價的碳酸鈉和碳納米管構建無鈉預填裝的“可呼吸”鈉-二氧化碳電池領域取得了突破性進展，相關研究成果作為《Research》創刊號首篇文章發表。
“可呼吸”電池的初級版本是鋰-氧電池，以金屬鋰作負極，正極為由碳、貴金屬或過渡金屬氧化物等構成的空氣電極，放電時從空氣中獲取氧氣，充電時再放出氧氣，因此被稱為“可呼吸”電池。在此基礎上衍生出的可充鈉-二氧化碳電池一般是以金屬鈉為負極，以碳等材料為正極，放電時從外界獲取溫室氣體二氧化碳，充電時再放出二氧化碳的一類電池。對比鋰-氧電池，這類電池不僅原料豐富、制備方便，增加了實驗過程中的安全性，二氧化碳作為溫室氣體，還可變廢為寶、資源化利用，實現綠色可持續發展。
但是目前鈉-二氧化碳電池開發存在難點：過量的金屬鈉負極容易形成枝晶，導致電池短路，帶來安全隱患，且金屬鈉制備主要是通過電解熔融氯化鈉或氫氧化鈉，能耗較大。課題組試圖從碳酸鈉出發構建鈉-二氧化碳電池，但由于碳酸鈉導電性差，因此在較低過電位下實現碳酸鈉的電化學分解比較困難。基于以上難點，陳軍課題組以溶解析出法在多壁碳納米管表面上得到的碳酸鈉廉價復合材料作為正極，導電碳作為負極，構建了無鈉預填裝的“可呼吸”鈉-二氧化碳電池。通過對充電容量的控制，實現了在負極一側金屬鈉的定量生成，利用導電碳較大比表面積的特點，成功抑制了枝晶的形成。
經測試，該電池在截容量為0.3 mAh/cm2的條件下，循環100圈后仍能保證充電電壓低于4 V。課題組進一步組裝了容量為350 mAh、能量密度為183 Wh/kg（基于整個電池質量）的單體電池。
展開 新加坡國大何錦韋（Ghim Wei Ho） AM：調控晶面制備出高效的OER催化劑 — α-Fe2O
【引言】
電化學析氧反應Oxygen Evolution Reaction（OER）在燃料電池、金屬空氣電池中都是重要的半反應，在水的催化分解以及二氧化碳還原等過程中亦起到重要作用。由于該催化反應過程較為復雜（通常是四電子參與轉移），因而通常需要較高過電勢（overpotential，ηOER）以驅動反應。開發高效，穩定且廉價的OER催化劑代替貴金屬基（如Ru, Ir的氧化物）催化劑因而具有重要意義且具有挑戰性。氧化鐵（如α-Fe2O3）作為最豐富，廉價的過渡金屬氧化物之一，通常被認為是一種低效的OER催化劑。作為一種帶隙合適的半導體，它更多的是被作為光電化學反應的光陽極進行研究。但由于其較差的電子遷移率和較短的空穴擴散距離，因而導致利用效率也較低。然而，氧化鐵自身廉價且高度穩定，更重要的是其eg軌道占據率（作為性能的決定因子，即descriptor）具有可調節性，因此在OER催化方面具有很大的調控潛力。此前對氧化物的相關DFT理論計算工作表明OER過程中的兩個中間體HOO*和HO*的吸附能之間具有特定的關系（ΔG0HOO*-ΔG0HO* = ~3.2 eV），因此OER 過程中的ΔG0O*-ΔG0HO* 決定著其反應的過電勢ηOER，即在氧化物中ΔG0O*-ΔG0HO*可被視為反應的descriptor。對ηOER和ΔG0O*-ΔG0HO*作圖發現不同氧化物呈現出火山的關系，而ΔG0O*-ΔG0HO*則遵循Sabatier原理，即火山圖中越靠近左側，與氧鍵合能力越強，產物越難脫附，HOO*越難形成；而越靠近右側，則與氧鍵合能力越弱，HO*難以被氧化；而只有越靠近火山頂點的位置最理想，ηOER最低。
展開 解讀｜全面解讀新能源汽車電池技術的發展歷程和趨勢
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石墨烯－碳化海綿鋰氧電池
石墨烯電池可以有效解決鋰電池的短板，產品特質與新能源車用戶使用直接掛鉤。這種材質的好處確實大，而且韓國三星也已經對外公布掌握了這項技術，但成本是一大瓶頸，石墨烯的獲取不太容易，早期是用于航天領域的一種材料，何時、采用什么方式降低成本，將是這項優質產品“飛入尋常百姓家”的一大難題，各個汽車廠商都還沒有公布在這方面發力的計劃。
石墨烯鋰電池效果圖
簡單來說，純電動車的工作原理是“充電直接用電”，氫燃料電池車則是H2＋O2 “燒成”（化學反應）電能和水，相當于“燒氫”來發電。兩種“電池”同樣都是零排放，電動車鋰電池能力密度更小、低溫活性差影響續航，充電速度慢的問題，氫燃料電池完全沒有，而且工作效率要高出不少，這正是氫被稱為優質能源的原因。
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固態電池
固態鋰電池顧名思義就是不再使用液態的電解液，采用固態電解質，其能力密度遠超現在的主流的鋰電池，這意味著純電動車型更高、甚至達到節能型汽油車的續航里程，并且充電效率相比現階段也有著質的飛躍，據悉裝備固態電池的電動車，最理想化的充電速度可達到1分鐘增加800公里，這可以說是新能源車的最佳核心部件。
現階段，一些海外的能源、科技企業，以及松下等電池制造商都開始了固態電池的研發，汽車廠商涉及這方面的只有豐田、本田以及日產三大日系車企，這源于日本國家層面的助推。從已經開始研究固態電池的各方計劃來看，預計2020年將在成本、能量密度和生產制造方面有突破性進展。
展開 Joule最新綜述（Perspective）：太陽能可充電電池：優勢、挑戰與機遇
圖2 分離式光伏電池系統
（A，B）利用四塊鈣鈦礦太陽能電池為Li4Ti5O12/LiFePO4鋰離子電池充電
（C，D）利用單節鈣鈦礦太陽能電池在直流-直流轉換器的幫助下為Li4Ti5O12/LiCoO2鋰離子電池充電
4. 一元集成式“太陽能電池—儲能電池”的設計
大多數關于一元集成式“太陽能電池—儲能電池”的設計工作集中于將太陽能電池和電容式儲能相結合而不是與電池。集成系統可分為三種類型的設計：（1）直接集成，（2）光輔助集成 和（3）氧化還原液流電池集成。 直接集成包括將太陽能電池和電池堆疊在一起（不包括氧化還原液流電池）。 光輔助集成使用太陽能為電池充電只提供一部分的能量。 氧化還原液流集成涉及使用具有太陽能充電的氧化還原液流電池。 文章分別對這三種形式前人的工作進行了詳細的概括總結，圖3、4和5 分別為它們的典型代表。
圖3 直接集成
硅太陽能電池充Li4Ti5O12 / LiCoO2 鋰離子電池的三電極的（A）設計示意圖和（B）光電充電/恒流放電循環性能。混合染料及磷酸鐵鋰為正極、鋰金屬為負極的雙電極設計的（C）示意圖及充電過程和 （D）充/放電電壓曲線。
圖4 光輔助充電集成。
染料敏化的TiO2光電極與鋰氧電池的氧電極集成的（A）示意圖和（B）充電曲線。染料敏化太陽能電池與Li / LiFePO4鋰離子電池集成（C）示意圖和 （D）光輔助充電曲線。
圖5 太陽能與液流電池的集成。
基于Li2WO4 / LiI雙相電解液的太陽能可充電氧化還原液流電池（A）示意圖和（B）光電充電、恒電流放電電壓曲線。雙硅光電化學電池和醌/溴氧化還原液流電池的集成的（C）示意圖，（D）恒流放電曲線和 （E）整體效率。
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中南大學《ESM》：自適應人工SEI膜，實現鋰負極的超致密鋰沉積！
此外，CMC-Li膜使Li/CMC-Li@Cu半電池和鋰/鋰對稱電池具有優異的循環穩定性，CMC-Li@Li||NCM613全電池循環200周后，容量保持率超過80%。這種簡單的酸化和鋰替代方法在有機聚合物中顯示出巨大的應用潛力，這為開發高能量密度鋰電池的SEI膜提供了新的可能性。
2017最具潛力20大新材料
突破性：鋰-氧電池或鋰空氣電池能量密度是鋰離子電子的10倍，被業界譽為“終極電池”。理論上這樣的能量密度可使電動車續航能力接近傳統汽油汽車，電動汽車只充一次電就能從倫敦駛到愛丁堡，而且鋰空氣電池的成本和重量只有現在市面上銷售的電動汽車所使用的鋰離子電池的1/5。
發展趨勢：航空航天，電子電器，動力汽車等領域。
主要研究機構（公司）：日本產業技術綜合研究所，日本學術振興會(JSPS)，劍橋大學，美國IBM。
突破性：特種纖維分別具有不同的特殊性能，如耐強腐蝕、低磨損、耐高溫、耐輻射、抗燃、耐高電壓、高強度高模量、高彈性、反滲透、高效過濾、吸附、離子交換、導光、導電以及多種醫學功能。例如，Teflon TFE?，Nomex?，Kermel?，Kevlar?，Torayca?。
發展趨勢：航空航天，交通，裝備，體育休閑，通信，機械，化工，國防軍工等領域。
主要研究機構（公司）：杜邦，東麗，帝人，東洋紡，東華大學，天津工業大學大學，北京化學研究所。
突破性：目前萬物智能的發展方向來說，穿戴式設備將會越來越普及，開發一種導電性和拉伸性極佳的高分子材料，可用于可拉伸塑料電極。這種柔性電極也可作為可穿戴電子器件。也就是說，如果成功，以后，我們帶有「智能」的衣服或者體內的供電設備就不會再被僵硬的電路掣肘了。
發展趨勢：觸摸屏、顯示器、薄膜太陽能電池。
主要研究機構（公司）：斯坦福大學，東華大學，華南先進光電子研究院先進材料研究所，大連化物所。
突破性：“量子隱形”材料制作成衣服，透過反射穿衣者身邊的光波，可以使得穿著這種衣服的人達到“隱形”的效果。通過折射周圍光線來實現“完全隱形”。“量子隱形”材料完全可以在不借助其他技術的情況下實現隱形，甚至可逃過紅外望遠鏡和熱力學設備的追蹤。
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