電極材料的案例
Res.綜述：用于電催化的無機低維電極材料的表界面工程
在本文中，研究者們普遍關(guān)注起材料表面和界面改性策略的最新進展，以有效地提高無機低維電極材料的電催化性能。我們總結(jié)了幾個重要的調(diào)控策略，包括：尺寸限制、結(jié)合、表面重建、界面調(diào)制和缺陷工程的，它們極大地優(yōu)化了無機電極材料的自旋構(gòu)型、電導(dǎo)率、催化活性位點暴露和反應(yīng)能壘。在尺寸受限的原子級厚度下，更多的表界面原子作為活性位點暴露，這為應(yīng)用表面結(jié)合和缺陷工程提供了理想的平臺，隨后產(chǎn)生更多的催化活性位點和更好的吸附自由能以改善催化活性。此外，調(diào)節(jié)電極材料的界面特性，例如表面應(yīng)變、接觸面積和橋接鍵，可以優(yōu)化電子轉(zhuǎn)移能力和反應(yīng)動力學(xué)過程。另一方面，一旦暴露在氧化電位下的強堿性溶液中，電極材料的真實活性層（如過渡金屬硫化物，氮化物和磷化物）可以通過表面重建策略激活，實現(xiàn)獨特的核-殼結(jié)構(gòu)內(nèi)部具有高導(dǎo)電性電子傳遞通道，外部具有高活性催化位點，從而用于高效電催化。基于這些觀點，關(guān)注無機低維電極材料，正確選擇表面和界面改性策略將有效調(diào)節(jié)其電催化活性，實現(xiàn)其不可限量的應(yīng)用前景比如：電催化水分解、可充電金屬電池和燃料電池。總的來說，我們預(yù)計表界面調(diào)節(jié)方法可以提供對無機電極材料設(shè)計的新認(rèn)識，促進電極材料的電催化性能的快速提升。
圖1. 使用表/界面調(diào)節(jié)策略設(shè)計用于可持續(xù)能源設(shè)備的無機低維電極材料的主要限制參數(shù)的示意圖。
【通過表/界面工程調(diào)節(jié)電催化反應(yīng)參數(shù)】
1.1 提高電導(dǎo)率
在內(nèi)在電性能和電催化活性之間建立明確的關(guān)系對于優(yōu)質(zhì)電極材料的開發(fā)具有重要意義。能帶結(jié)構(gòu)、載流子濃度和遷移率是低維納米材料中固有電導(dǎo)率的內(nèi)部決定因素。
圖2. 提高電導(dǎo)率。
（a）塊狀Ni3N和Ni3N納米片的狀態(tài)密度（DOS）。
展開 青島能源所開發(fā)出新型二維柔性電極材料
該項研究結(jié)果為溶液法制備大面積性能優(yōu)異的柔性電極材料提供了研究思路，開創(chuàng)了新型儲能器件電極材料研究的一個新方向。
該研究獲得了國家自然科學(xué)基金、中科院前沿重點研究項目、山東省自然科學(xué)基金杰出青年基金的支持。（來源：青島能源所）
郭傳飛、任志鋒《先進功能材料》綜述: 柔性電子學(xué)—可拉伸電極及其未來
隨著可穿戴和可植入式電子設(shè)備的出現(xiàn)，以及對智能軟體機器人不斷增長的需求，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界已將目光投向了研制開發(fā)同時具有優(yōu)異力學(xué)柔性和電學(xué)特性的功能電子材料，而可拉伸電極材料是基礎(chǔ)關(guān)鍵。
圖1 柔性電極、柔性電子設(shè)備和軟體機器人之間關(guān)系的示意圖
文章系統(tǒng)比較了不同電極材料的光電性能和力學(xué)性能，并對常用電極材料的優(yōu)缺點進行了評述。此外，文章還深入探討了材料的幾何形狀設(shè)計（圖2）、襯底選擇以及電極-襯底粘附力對電極拉伸性能的影響，揭示了設(shè)計制備可拉伸電極的一種通用策略，并闡釋了具有生物相容性的可拉伸電極在人體（圖3）和新型智能仿生電子產(chǎn)品（圖4和圖5）中的應(yīng)用。
圖2 可拉伸電極的幾何形狀與剪紙結(jié)構(gòu)設(shè)計
圖3 柔性電子器件在人體上的應(yīng)用
圖4 多功能電子皮膚的特性示例
圖5 柔性電極在電驅(qū)動軟體驅(qū)動器的應(yīng)用示例
文章最后指出，雖然柔性電子領(lǐng)域取得了很多令人鼓舞的進展，但依然面臨著巨大的挑戰(zhàn)。同時集成了物理、化學(xué)和電生理信號測試傳感功能的可穿戴綜合醫(yī)療健康監(jiān)測系統(tǒng)，可以為人們提供一個更加全面的個人生理健康狀態(tài)圖像，是未來醫(yī)療健康領(lǐng)域發(fā)展的方向。此外，將具有不同功能的柔性電子元件（包括傳感、驅(qū)動、數(shù)據(jù)傳輸和分析、能源，以及能量收集轉(zhuǎn)化系統(tǒng)等）集成于一體的智能柔性電子系統(tǒng)能夠?qū)?nèi)部和外部信號進行實時感應(yīng)和動態(tài)反饋，是智能制造領(lǐng)域的熱點研究方向之一。隨著柔性電子和人工智能時代的到來，可拉伸電極和電子元件與生物體的有機集成，以及開發(fā)具有柔性幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計和實時自主感應(yīng)反饋的全軟體機器人，將成為越來越重要的跨學(xué)科領(lǐng)域。
文獻鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.20180592
（Adv. Funct.
展開 西安交大 | 鋰離子電池電極材料結(jié)構(gòu)設(shè)計方面取得新進展，研究成果發(fā)表于納米領(lǐng)域國際權(quán)威期刊ACS N
電極材料在嵌/脫鋰過程中伴隨著體積的膨脹/收縮。這種體積效應(yīng)往往會導(dǎo)致材料破碎失效。因此，電極材料在充放電循環(huán)過程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，對電池的容量、倍率以及循環(huán)壽命等性能有著至關(guān)重要的影響。
基于二氧化硅（SiO2）作為填料可以提高復(fù)合材料機械性能這一現(xiàn)象，西安交通大學(xué)電氣學(xué)院牛春明千人團隊王紅康老師課題組設(shè)計并成功制備了一種SiO2增強的多孔Sb/C纖維復(fù)合材料。
利用靜電紡絲法將硅源（硅酸乙酯）、銻源（三氯化銻）和碳源（聚乙烯吡咯烷酮）制備成纖維結(jié)構(gòu)，再通過熱處理一步形成了多孔碳纖維包覆SiO2和Sb納米顆粒的獨特結(jié)構(gòu)。
SiO2的引入大大增強了纖維的整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。作為鋰離子電池負(fù)極材料，所得SiO2/Sb/C多孔纖維電極在半電池和全電池測試中均顯示了優(yōu)異的電化學(xué)性能。碳纖維不但提高了電極材料的導(dǎo)電性，而且其多孔結(jié)構(gòu)有效消納了SiO2和Sb在嵌/脫鋰過程中體積變化。
通過原位和非原位電鏡表征，進一步揭示了該材料在嵌/脫鋰過程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。該工作提出的電極材料結(jié)構(gòu)增強思路，即利用SiO2增強效應(yīng)（Silica-Reinforcement Effect）同步實現(xiàn)了電極結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和儲鋰性能的雙提升，且該方法具有通用性（Materials Today Energy 2016, 1–2, 24-32；Nanoscale 2016, 8, 7595-7603）。
展開 
設(shè)計微米FeS2電極材料---同步構(gòu)建CNT導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)及保護殼
【引言】
FeS2成本低廉，儲量豐富，理論容量可以達到894 mAh.g-1，是高能量密度二次鋰離子電池的候選材料。但是FeS2及其放電產(chǎn)物的電導(dǎo)率較低，而且伴隨FeS2的轉(zhuǎn)換反應(yīng)出現(xiàn)嚴(yán)重的體積變化以及多硫化物的溶解，導(dǎo)致FeS2容量迅速衰減。納米化可以減小充放電過程中材料的體積變化，提高參與儲鋰反應(yīng)的活性物質(zhì)比例。盡管如此，納米結(jié)構(gòu)會加劇材料相間不利的反應(yīng)，同時造成體系體積能密度降低，與高能量密度電池的設(shè)計要求相差甚遠。與之相比，微米級FeS2粒子作為鋰離子電池的活性材料更具有實用性。然而，微米級FeS2電極材料研究開發(fā)面臨著以下重要的挑戰(zhàn)：體積膨脹嚴(yán)重、Li+擴散條件差、以及有效活性物質(zhì)比例低。
【成果簡介】
北京科技大學(xué)連芳教授研究團隊采用溶劑熱法一步制備了同時具有CNT外部保護殼層和內(nèi)部連續(xù)導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的FeS2/CNT微米材料(FeS2@B-CNTs)。CNT纏繞交織形成的外殼作為強大的機械緩沖層和多硫化物吸附器，保證了電極材料超長循環(huán)周期的電化學(xué)活性。此外，從表面到內(nèi)部的連續(xù)CNTs網(wǎng)絡(luò)縮短了離子和電子的輸運路徑，增強了鋰離子的擴散性能，參與儲鋰反應(yīng)的活性物質(zhì)比例顯著提高。FeS2@B-CNTs電極的首次庫侖效率高達91.3%，在1000 mA.g-1電流密度下循環(huán)500圈后仍具有698 mAh.g-1的容量。同時，此項研究為長循環(huán)壽命、高能量密度的過渡金屬硫化物電極材料的設(shè)計和制備提供了技術(shù)方案。
展開 鋰空氣電池電極材料的設(shè)計和機理研究獲進展
鋰空氣二次電池因具有超高的理論比能量而成為國際上的研究與開發(fā)熱點，然而由于其正極復(fù)雜的氣-液-固共存的三相結(jié)構(gòu)，及其在循環(huán)穩(wěn)定性、能量效率等方面所存在的問題，其實際應(yīng)用仍然面臨很大的挑戰(zhàn)，開發(fā)高效的空氣電極催化劑等材料十分迫切。
近日，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員溫兆銀帶領(lǐng)的團隊在鋰空氣電池電極材料的設(shè)計和機理研究方面取得新進展。他們針對金屬硫化物的催化惰性，以材料晶體結(jié)構(gòu)修飾為手段，成功制備了具有高度晶格畸變的亞穩(wěn)態(tài)金屬硫化物正極材料，具有潛在的應(yīng)用價值，相關(guān)研究成果于近期發(fā)表于《納米快報》（Nano Letters, 2017, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b00603）。
同時，他們還成功揭示了鋰空氣電池中間放電產(chǎn)物在氧空位位點的自催化分解反應(yīng)，放電產(chǎn)物自催化分解現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)也可以為未來高效正極的設(shè)計提供新的思路和解決方案，該項成果于近期發(fā)表《納米能源》（Nano Energy, 2017, 36, 186-196. DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.04.038）。
溫兆銀團隊在前期成功合成定向結(jié)構(gòu)三維二硫化鉬材料的基礎(chǔ)上（ACS Nano, 2015, 9 (12), 12464-12472. DOI: 10.1021/acsnano.5b05891），采用低溫液相法成功地設(shè)計了層內(nèi)二硫化鉬/二硒化鉬異質(zhì)結(jié)構(gòu)，通過與美國伊利諾伊斯大學(xué)合作進行的球差校正掃描透射電鏡分析證明了該層狀材料層間和層內(nèi)高度的晶格畸變，且沿相同晶面呈現(xiàn)間距不規(guī)則的特性，這種高度畸變的亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)能夠顯著提升材料的催化活性。原位透射電鏡揭示了鋰離子在材料結(jié)構(gòu)中的快速穿梭和傳輸。此種高活性的催化劑首次成功地實現(xiàn)了金屬硫化物在鋰空氣電池中的穩(wěn)定深度循環(huán)，具有潛在的應(yīng)用價值。
展開 濟州大學(xué)《AEM》綜述：摩擦電納米發(fā)電機摩擦層和電極材料
TENGs的流行歸因于其重量輕、成本低、產(chǎn)量高、材料和器件設(shè)計廣泛。TENG已被研究用于許多應(yīng)用，包括傳感、植入式電源、醫(yī)療保健和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。由于電荷密度(σ)是一種材料特性，因此TENGs的性能在很大程度上取決于材料。此外，還研究了2D材料作為傳統(tǒng)金屬電極的替代材料。聚合物和金屬在傳統(tǒng)摩擦電系列中的主導(dǎo)地位促使研究人員探索新材料，以擴大應(yīng)用范圍，提高TENGs產(chǎn)量。
來自濟州大學(xué)的研究人員綜述了TENGs摩擦層和電極材料的研究進展。詳細(xì)討論了輸出增強的機理和器件的應(yīng)用。最后，對TENGs材料發(fā)展的未來和相關(guān)挑戰(zhàn)進行了展望。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/aenm.202101170
本文從器件應(yīng)用的角度系統(tǒng)地闡述了騰騰材料的研究進展。為了更清楚、更好地理解TENGs產(chǎn)量的提高機理，本文對其增產(chǎn)機理進行了逐一總結(jié)，并提供了相關(guān)資料。介紹了TENGs的基本知識、工作原理、器件模式和FOM。材料領(lǐng)域的巨大進步讓TENGs離商業(yè)化又近了一步。隨著新材料、電源管理電路和穩(wěn)定器件的發(fā)展，可以取代或擴展電池等傳統(tǒng)電源。（文：SSC）
圖 1. TENG 的四種工作模式。
圖2.TENG中用作摩擦和電極材料的材料示意圖，包括2D材料、MOF、COF、天然材料和鐵電材料。
圖 3. 基于 2D 材料的 TENG 中主要里程碑的時間表。
圖4.A)G-TNG器件制作示意圖。B)石墨烯的輥對輥轉(zhuǎn)移過程和具有相應(yīng)電壓輸出的TENG的三維設(shè)計。
圖 5.
展開 寧波大學(xué)《AFM》：氮硫共摻雜協(xié)同效應(yīng)，助力超長壽命電極材料！
最近，鈮化氧化物因其高理論容量和相對小的體積變化而作為有前途的陽極材料受到廣泛關(guān)注。然而，大多數(shù)鈮基氧化物顯示出有限的離子和電子導(dǎo)電性，這不利于鋰離子在LiB中的放電/充電過程中插入/取出。為了提高電化學(xué)性能，需要合理設(shè)計和實現(xiàn)雜化納米結(jié)構(gòu)，以同時提高離子和電子的電導(dǎo)率。由于協(xié)同效應(yīng)，多雜原子共摻雜碳涂層可以顯著提高電極材料的電導(dǎo)率和傳質(zhì)速率。
來自寧波大學(xué)等單位的研究人員采用一種簡便的硫脲蒸發(fā)法在氧化鈮(GNO@NSC)表面引入氮、硫共摻雜碳涂層。理論計算和實驗結(jié)果證實了GNO@NSC復(fù)合材料中n，s共摻雜的協(xié)同效應(yīng)。氮、硫共摻雜不僅擴大了碳材料的層間距，而且導(dǎo)致更多的鋰存儲活化位點。同時，在GNO上引入共摻雜碳層顯著增強了與GNO的鍵合相互作用，這導(dǎo)致復(fù)合材料具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和導(dǎo)電性。因此，GNO@NSC復(fù)合材料具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)可逆性、大的比容量和高性能。GNO@NSC納米線提供288毫安時每克的可逆容量，并顯示出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，在1A/g的高電流密度下，6000次循環(huán)后，其容量保持率為78.9%。本研究揭示了氮、硫共摻雜碳涂層的作用機理和鈮氧化物性能改善的根源，可為相關(guān)材料的設(shè)計和開發(fā)提供參考。相關(guān)論文發(fā)表在Advanced Functional Materials。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202100311
總的來說，本文采用方便的碳化方法，制備了含缺陷氮、硫共摻雜碳涂層的GeNb18O47納米線。氮硫共摻雜使GNO與碳涂層之間的結(jié)合作用更強、層間距更大、活化位點更豐富，以及碳涂層的邊緣負(fù)吸附能更高。由于上述協(xié)同效應(yīng)，具有優(yōu)異結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的GNO@NSC表現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能、長循環(huán)性能和大鋰離子擴散系數(shù)。
展開 Sci.經(jīng)典綜述：第一性原理計算材料設(shè)計用于鋰離子電池中的儲能材料
圖14 LixFePO4中極化子導(dǎo)電機理的簡明圖解
3.4 鋰擴散：功率和倍率能力
在可充電鋰離子電池中，高功率要求鋰進出電極材料的擴散速率足夠快來以此提供電流。毫無疑問，設(shè)計多孔電極是高功率性能的重要因素，然而，活性材料中的鋰擴散是電極材料的本征性能，同時也是電極材料高倍率性能的必要條件。結(jié)晶固體中的離子擴散通常是通過擴散介導(dǎo)缺陷（空位或間隙）而引起的。
圖15 通過DFT方法確定的活化能和擴散路徑
（a）層狀結(jié)構(gòu)
（b）尖晶石結(jié)構(gòu)
（c）橄欖石結(jié)構(gòu)
圖16 LixCoO2中鋰擴散系數(shù)作為鋰濃度的函數(shù)變化曲線
（a）實驗所得
（b）計算所得
3.5 熱穩(wěn)定性和安全性
隨著鋰離子電池即將大規(guī)模應(yīng)用于各個領(lǐng)域，其安全問題已經(jīng)成為一個日益關(guān)注的問題。大部分陰極材料由氧和過渡金屬組成，其容易被氧化，而且也會通過放熱和吸熱相變反應(yīng)而被降解。幾乎很少報道關(guān)于理解高電荷狀態(tài)下電極材料穩(wěn)定性的計算研究，而在DFT+U方案中，已經(jīng)開發(fā)出了一種用于預(yù)測熱降解熱力學(xué)的新方法，并在主要的三種陰極材料中進行了論證。
【挑戰(zhàn)】
4.1 其他化學(xué)制品
這部分介紹其他類型的電池材料的計算設(shè)計路徑：首先，需要將嵌入反應(yīng)延伸到存在著有機成分的電極材料中，其次為轉(zhuǎn)化反應(yīng)，即過渡金屬離子可逆的還原反應(yīng)可以儲存化學(xué)能，而無需高導(dǎo)電性的開放式框架。金屬與鋰的合金化反應(yīng)可以為儲能提供另一種有趣的機理。
展開 ：一維異質(zhì)納米電池材料
為了達到這些目的，許多研究者將二次電池中的電極材料制備成各種納米結(jié)構(gòu)，并取得了顯著的效果。在諸多納米材料中，一維納米材料由于其高的長徑比，擁有許多獨特的優(yōu)異性質(zhì)，如易于構(gòu)成三維交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)來緩沖形變、易于構(gòu)筑各類微納器件、擁有更有利的內(nèi)應(yīng)力分布等等。然而，單一成分的電極材料難以兼顧離子/電子的高效傳輸以及在電化學(xué)環(huán)境中保持穩(wěn)定。因此，設(shè)計開發(fā)功能型的一維異質(zhì)納米電池材料可以得到更優(yōu)的電化學(xué)性能。
【成果簡介】
近日，Accounts of Chemical Research在線發(fā)表武漢理工大學(xué)麥立強教授團隊綜述 “One-Dimensional Hetero-Nanostructures for Rechargeable Batteries”。該文系統(tǒng)地總結(jié)了麥立強教授課題組關(guān)于一維異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線電極材料的工作，并結(jié)合當(dāng)前的研究進展，闡述了該類材料的制備策略和性能優(yōu)化機制（如下圖），并對其今后的發(fā)展方向和策略提出了見解和展望。
【圖文導(dǎo)讀】
在本篇綜述中，作者歸納了異質(zhì)結(jié)構(gòu)納米線的合成策略，主要分為成核生長、沉積和熔融-成型三類，并詳細(xì)闡述了各類策略的化學(xué)原理，討論了他們的優(yōu)勢和劣勢及適用范圍。1）成核生長法的化學(xué)條件較為容易達到，一般為高溫高壓的溶液環(huán)境，對于能自發(fā)沿一維方向生長的部分過渡金屬元素非常適合。2）沉積法適用于構(gòu)造多種功能型的表面層狀結(jié)構(gòu)，需要先獲取能在沉積的化學(xué)環(huán)境下穩(wěn)定存在的一維納米結(jié)構(gòu)基底。3）熔融-成型法也是一種合成一維異質(zhì)結(jié)構(gòu)的有效手段，先將材料熔融成流體，再通過模板鑄造成一維結(jié)構(gòu)并凝固，以物理過程主導(dǎo)，也能伴有化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，可以用于難以通過化學(xué)手段合成的材料。
展開 Acta Materialia：多孔MnCo2O4納米棒/Ni泡沫電極用于不對稱超級電容器
具有多孔結(jié)構(gòu)的材料是理想的集流體，因為它可以有效地擴大電極材料的比表面積和表面積-體積比，縮短電極和電解質(zhì)之間的電子傳輸路徑和離子傳輸，并且在電荷存儲過程中提供更易接近的法拉第反應(yīng)活性位點。若納米結(jié)構(gòu)材料直接在集流體或?qū)щ娀w上生長，可以有效避免聚合物粘結(jié)劑和導(dǎo)電劑的添加，這樣不僅大大增加了導(dǎo)電基底上活性材料的性能，還有效地增加了集電器和有源元件之間的接觸面積。因此，直接在集流體上生長納米結(jié)構(gòu)材料能顯著增強超級電容器的電化學(xué)性能。目前有多種制備電極材料的方法，如水熱法，化學(xué)氣相沉積法，熔鹽法等，但這些方法都較為復(fù)雜且耗時，這無疑增加了超級電容器的成本。因此開發(fā)一種高效且環(huán)保的納米結(jié)構(gòu)電極材料新型制備方法仍然是一項艱巨的任務(wù)。
【成果簡介】
近日，渤海大學(xué)許家勝副教授和吉林大學(xué)劉曉旸教授（共同通訊）的研究團隊在Acta Materialia發(fā)表了一篇題為“Fabrication of the porous MnCo2O4 nanorod arrays on Ni foam as an advanced electrode for asymmetric supercapacitors”的文章。在這篇文章中，他們采用一種簡便的合成方法，通過在室溫下進行共沉淀反應(yīng)以及后續(xù)熱處理，成功在三維Ni泡沫（PMCN @ NF）上生長了多孔MnCo2O4納米棒陣列，其能作為不對稱超級電容器的先進電極。該電極具有845.6 F g-1的良好電容（測試條件：1 A·g-1），經(jīng)過2000次循環(huán)測試后，仍有90.2％的初始電容保持率。在此基礎(chǔ)上制得的MnCo2O4 // rGO不對稱超級電容器的開路電壓穩(wěn)定在1.6 V，最大能量密度為53.7 Wh·kg-1（功率密度為1600 W·kg-1時）。當(dāng)功率密度達到8000 W·kg-1時，它的能量密度仍然達到31.6 Wh·kg-1。
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南京大學(xué)：新型鎂電池負(fù)極材料！
然而，由于二價Mg2+的極性較大、Mg2+嵌入到正極材料中的動力學(xué)緩慢等問題，嚴(yán)重制約了鎂電池的實際性能。到目前為止，在鎂電池中只有少數(shù)的金屬/合金型或離子嵌入型負(fù)極材料表現(xiàn)出合適的放電容量和循環(huán)穩(wěn)定性。
為了改善鎂電池電極材料的綜合性能，必需對其原子結(jié)構(gòu)和表界面進行優(yōu)化設(shè)計。電極材料中的晶格缺陷，例如氧空位，對于過渡金屬氧化物的物理和化學(xué)性質(zhì)有很大影響。電極材料中的氧空位可以促進電子和離子的傳輸，有效提高電池的電化學(xué)性能。
化學(xué)化工學(xué)院金鐘教授和馬晶教授團隊密切合作，提出了一種新的原子取代方法，以超薄TiS2納米片為前驅(qū)體來合成含有豐富氧空位（OVs）的超薄、多孔、黑色TiO2-x (B-TiO2-x)納米片，用于鎂電池負(fù)極材料。
圖1. B-TiO2-x超薄納米片的合成示意圖、形貌和儲鎂性能。
實驗結(jié)果和DFT理論計算均證實，B-TiO2-x電極材料中存在的大量OVs能夠顯著提高材料的導(dǎo)電性和提供大量的鎂離子存儲位點，并表現(xiàn)出了較快的電化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)和優(yōu)異的比容量和循環(huán)穩(wěn)定性。該工作證明利用缺陷工程策略可以有效改善鎂電池電極材料的整體電化學(xué)性能。
圖2. DFT理論計算結(jié)果證實B-TiO2-x超薄納米片的氧空位有利于鎂離子存儲。
這一成果以“Atomic Substitution Enabled Synthesis of Vacancy-Rich Two-Dimensional Black TiO2-x Nanoflakes for High-Performance Rechargeable Magnesium Batteries”為題發(fā)表在ACS Nano 2018, 12, 12492-12502上。關(guān)注材料科學(xué)與工程公眾號學(xué)習(xí)更多知識。
展開 Mater. 》：在低功函導(dǎo)電聚合物電極方面取得進展
在有機光電子器件中，高功函和低功函電極分別從半導(dǎo)體層中提取（或注入）空穴/電子，均是器件中的重要組成部分。相比于高功函數(shù)電極材料，低功函電極材料對氧氣或者水分敏感，影響了器件的性能及穩(wěn)定性。穩(wěn)定的低功函電極材料仍然是一個挑戰(zhàn)。
理想的低功函電極材料應(yīng)當(dāng)具有以下性質(zhì)：（1）自身具有較低的功函數(shù)，減少界面層或修飾層的使用，有利于簡化器件結(jié)構(gòu)及工藝；（2）材料自身具有穩(wěn)定性，且不與器件中其他界面層有物理化學(xué)反應(yīng)；（3）具有較高的電導(dǎo)率，有利于載流子的傳輸。
近日，華中科技大學(xué)周印華教授課題組通過離子交換策略，開發(fā)了一系列功函數(shù)在4.1-5.0 eV的導(dǎo)電聚合物材料PEDOT:PSS-M（PEDOT:PSS為聚3，4-乙烯二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸，M為一價陽離子）。其中PEDOT:PSS-TBA（TBA為四丁基銨）功函數(shù)約為4.1-4.2 eV，通過添加劑乙二醇處理后，電導(dǎo)率約為300 S/cm。該材料在空氣、熱、等離子體以及醇溶劑環(huán)境下均表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。基于PEDOT:PSS-TBA電子傳輸層的有機太陽能電池器件表現(xiàn)出與參比器件相當(dāng)?shù)男剩宫F(xiàn)了良好的電子提取以及傳輸?shù)哪芰ΑＭ瑫r在光照144 h后，器件性能仍保持初始性能的83%（參比器件為51%）。
展開 研究人員探討π-共軛聚合物的性質(zhì) 以用于金屬離子電池和超級電容器
在多功能儲能系統(tǒng)中，π-CPs及其改性材料，以及與納米結(jié)構(gòu)金屬氧化物和碳基材料構(gòu)成的復(fù)合材料，已被廣泛用作電極材料。CPs是非常有價值的材料，也是超極電容器和金屬離子電池（MIBs）的潛在候選材料，因其具有靈活性、低成本、環(huán)境友好性、結(jié)構(gòu)多樣性，以及易通過納米結(jié)構(gòu)設(shè)計衍生化。π-CPs作為電極材料用于存儲器件的主要缺點包括容量低、穩(wěn)定性差等。
此外，在非質(zhì)子電解質(zhì)中π-CPs電極擊穿，會導(dǎo)致電池和超級電容器在放電期間容量快速衰減。迄今為止，文獻中已經(jīng)發(fā)表了各種克服這些障礙的解決方案。其中包括利用有機羰基化合物制備π-CPs鹽，利用導(dǎo)電材料制備π-CPs共價化合物，以及利用非共價技術(shù)制備具有納米結(jié)構(gòu)碳/金屬氧化物的復(fù)合材料。
孤對電子似乎具有較高的電子遷移率，據(jù)發(fā)現(xiàn)π-CPs中含有包括雜原子（如氧、氮、硫等）在內(nèi)的孤對電子，具有較高的電導(dǎo)率和氧化還原活性，能夠進一步提高儲能系統(tǒng)的能量和功率密度。
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展開 一步電沉積法制備Ni3S2納米片陣列作為高性能非對稱超級電容器的電極
過渡金屬硫化物因其較小的能帶和較高的導(dǎo)電性被廣泛應(yīng)用于電極材料。其中硫化鎳因其具有很高的理論容量，被認(rèn)為是一種極具潛力的電容器電極材料。
最近，渤海大學(xué)許家勝課題組與吉林大學(xué)劉曉旸課題組合作在Science China Materials上發(fā)表文章，介紹了一步電沉積法制備了Ni3S2納米片陣列超級電容器電極. Ni3S2納米片彼此互連能夠為電子傳導(dǎo)提供快速通道, 有利于電子與離子傳輸, 提供了豐富的贗電容反應(yīng)位點.
圖1 Ni3S2納米片陣列的制備
采用不同電沉積次數(shù)探究了不同負(fù)載量的Ni3S2對其電化學(xué)性能的影響. 性能最好的Ni3S2電極在
1?A/g
下展示出
773.6?F/g
的單位比電容, 在
10?A/g
時具有84.3%的優(yōu)異倍率性能. 組裝的非對稱超級電容器(Ni3S2//rGO)表現(xiàn)出優(yōu)良的使用性能.
圖2 Ni3S2基超級電容器
這些結(jié)果表明了所制備的Ni3S2超級電容器電極材料具有廣闊的應(yīng)用前景. 電沉積法控制Ni3S2負(fù)載量的策略能夠為電極材料制備提供一種新思路.
本工作近期發(fā)表于Science China Materials, 2018, doi: 10.1007/s40843-018-9361-0
來源：中國科學(xué)材料
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