陰極材料的案例
《AEM》：首次使用低成本氧化亞銅作為全固態光纖的陰極材料！
本文研究了可逆Cu+/Cu2+氧化還原的Cu2O作為全固態光纖正極材料的性能。結合電化學證據和X射線光電子能譜(XAS)結果證實了該相變機理。與已報道的各種材料相比，Cu2O在高電流密度下具有高容量和令人印象深刻的保持率。非原位HEXRD和Cu K-edge EXAFS結果表明，前幾個循環的快速容量衰減歸因于充電時發生的部分不可逆非晶化。KJMA方程表明，相界運動是決定速率的步驟。根據Cu2O晶格的結構特征，結合EXAFS分析，討論了可能的反應模式和F占位。綜上所述，本研究初步展示了全固態光纖陰極材料快速氟化的前景，使全固態光纖向實際應用又邁進了一步。在未來的工作中，無毒(如無鉛)和高性能電解質和陽極的發展也是重要的。相信對Cu2O的研究將為高性能全固態光纖的發展提供更多的策略。
展開 賴斯大學優化納米材料 有望替代燃料電池陰極中的鉑
賴斯大學科學家通過計算機模擬，著手研究如何改進燃料電池陰極的碳納米材料。該論文發表在RSC期刊Nanoscale上，揭示了摻雜納米材料催化氧還原反應( ORR)的原子水平機制。
摻雜或化學改性導電納米管和納米帶可改變其化學鍵（chemical bonding）特性，用作質子交換膜燃料電池中的陰極。在簡單的燃料電池中，陽極吸收氫燃料并將其分離成質子和電子。當負電子作為可用電流流出時，正質子被吸引到陰極，在那里再與電子和氧重新結合以產生水。
模型表明，具有較高的氮濃度的、且較薄的碳納米管表現最佳，因為氧原子比較容易鍵合到最接近氮的碳原子上。研究人員發現，與納米帶相比，納米管具有更大的優勢，因為其曲率會扭曲其周圍的化學鍵，從而結合起來更容易。
研究還發現，氮和硼共摻雜石墨烯納米帶增強了鋸齒形邊緣帶的吸氧能力。此外，同樣的催化原理適用于扶手椅形邊緣的納米帶，但效果不太顯著。
這項研究得到了 Robert Welch 基金會、陸軍研究辦公室、深圳市發展和改革委員會、中國青年千人計劃和清華伯克利深圳學院的支持。
來源：新材料技術前沿
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新材料技術前沿
展開 在靜電紡絲納米纖維上“長出”納米顆粒，用作電池陰極材料
納米顆粒通常具有與本體材料不同的光學，電學，磁學或催化性質。然而，通常納米顆粒的團聚會嚴重影響這些特殊的納米特性，因此，使納米顆粒相互分開，可以長時間地穩定其性能。
加州理工學院化學與化學工程系Giapis教授組利用無針靜電紡絲技術，通過將電解質磷酸二氫銫（CDP）與聚乙烯吡咯烷酮（PVP）或聚乙烯醇（PVA）聚合物溶液混合，并加入少量以DMF為溶劑的聚苯胺（PANI）溶液來增加樣品的電導率。在靜電紡絲后高溫熱處理納米纖維樣品，成功制得了可用于固體酸性燃料電池（SAFCs）的納米纖維電極。
在靜電紡絲過程中，DMF較低的蒸汽壓導致其不易揮發。磷酸二氫銫（CDP）由于不溶于DMF，在靜電紡絲末期易形成過飽和狀態，會在PVP或PVA納米纖維內部及表面成核結晶“長出”納米顆粒。同機械壓制磷酸二氫銫（CDP）粉末生產的陰極相比，該納米纖維電極在每個電流密度下都具有更高的電池電壓，其原因是納米纖維電極表面積（21m2/g）相比于傳統陰極表面積（2.4m2/g）更大，約為9倍。同時因為PVP和PVA在氧化還原反應中沒有活性，所以需要通過300℃高溫熱處理去除。在該實驗中，PVP與PVA不同的熱解性質導致了PVP基納米纖維相比于PVA基納米纖維具有更好的電化學性能。該方法維持了納米顆粒的分散狀態，為在納米纖維表面附著納米顆粒提供了新的思路。
該研究成果近期發表于《Nature Communications》上。
圖文速遞
圖1.靜電紡絲過程的示意圖。納米顆粒修飾的納米纖維由透明聚合物溶液一步制成，溶液中含有溶解的磷酸二氫銫（CDP）和聚合物。在浸入溶液中的旋轉電極上會形成多個泰勒錐。在收集電極上吹熱空氣，使得靜電紡絲能夠在低聚合物濃度下進行。具有CDP納米顆粒的纖維會大面積地沉積到收集電極上。
圖2.橫截面掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。
展開 熱力學計算在材料科研中可以有哪些用途 了解一下？
在3D打印制備梯度金屬材料中，Hofmann等人[4]利用熱力學計算獲得的相圖，確定了最優的組分梯度路徑，以避免脆性相的生成。運用這一理念，成功制備了304L/Inconel626、304L/Invar36、Ti-6-4/Nb、Ti-6-4/V/420不銹鋼、Ti-6-4/TiC等一系列梯度材料。
圖4 1)三元相圖中兩種合金之間可能的組分梯度路徑，2) 3D打印制備的Ti-6-4/Nb梯度材料
4. 鋰離子電池
在鋰離子電池領域中，合金陽極材料具有高電荷密度和低化學電位，因此其被認為有望取代碳質陽極材料，并且電池的安全性也會得到提高。Sn基合金是最重要的合金陽極備選材料之一，由于其高的理論電荷密度（Li22Sn5, 994 mAh/g）和低化學電位。Li等人[5]利用CALPHAD方法建立了Li-Sn體系的熱力學數據庫，利用該數據庫計算得到了Li-Sn體系中不同化合物的開路電壓，如圖5。
圖5 計算得到的Li–Sn 合金相對于純鋰的開路電壓
銅的氧化物被認為有望在下一代鋰離子電池中作為電極材料。Lepple等人[6]利用CALPHAD方法建立了Li-Cu-O體系的熱力學數據庫. 利用該數據庫計算得到了當CuO或者Cu2O作為陰極材料時，鋰離子電池電壓與鋰含量的關系。計算表明
（1）當CuO作為陰極材料時，隨著Li含量的增加，電池電壓會出現三個平臺區間，并隨著鋰的含量的增加而減小。前兩個平臺區間的電池電壓會隨著溫度的升高而第三個平臺區間的電壓會隨著溫度的增加而減小。
（2）當Cu2O作為陰極材料時，僅有兩個平臺區間。第一個平臺區間的電池電壓會隨著溫度的升高而第二個平臺區間的電壓會隨著溫度的增加而減小。
展開 
陰極材料—鋰摻雜使氧化銅煥發生機
CuO是一種有潛力的光陰極材料，其通過自旋極化子跳躍來傳導空穴。自旋極化子在跳躍傳導過程中不僅需要克服強電-聲耦合導致的勢壘，同時還要克服強磁耦合帶來的額外勢壘，因而CuO的電導率很低，這限制了其在光電化學電池陰極及氣體傳感器中的應用。
為克服這一重要限制，來自加州大學圣克魯茲分校和威斯康星大學麥迪遜分校的袁平教授等，提出利用鋰摻雜來提升CuO的電導率。基于第一原理計算，他們發現鋰摻雜可以同時降低電-聲耦合及磁耦合導致的勢壘，并且提升載流子濃度。他們進一步制備了Li-CuO電極，與未摻雜CuO電極相比，光電流得到增強。這些結果提示，鋰摻雜CuO有望成為提高磁性氧化物導電性的通用策略。
該文近期發表于npj Computational Materials 4: 61 (2018)，英文標題與摘要如下，點擊左下角“閱讀原文”可以自由獲取論文PDF。
Mechanistic insights of enhanced spin polaron conduction in CuO through atomic doping
Tyler J. Smart, Allison C.
展開 LS-DYNA中鋰電池的電化學-熱-結構耦合擠壓、針刺模型
鋰電池（LIB）應當同時具有氧化和還原兩種電化學半反應，驅動鋰離子在電解質中以及電子在導電材料中的移動，電流密度定義了垂直于流動方向的單位面積的正電荷流速，開路電位代表電流為零時的電極電位，過電位是為阻止電流通過所引起的電位差值，電池電位是所有電位的總和，例如開路電位和過電位等。
電化學鋰電池模型的要求。模型必須包含兩個電極，電極之間由電解質分離，并通過外部導體連接。同時也應該包含電極和電解質之間的化學反應以及考慮電極和電解質材料的輸運特性，確保所有變量在仿真中都是守恒的。
鋰電池的陽極電極材料，通常為碳族材料，比如如石油焦，它的能量密度約為180mAh/g。而MCMB（Mesocarbon microbeads，中間相碳微球）材料以及KS6石墨則有更高的能量密度。而對于鎳氫電池（NiMH battery），金屬混合物也會應用于陽極材料。如果想提高電池的性能，有時也會使用基于硅基陽極的材料電池，能量密度比石墨增加10倍以上，但同樣帶來了嚴重的體積變化，大大減少循環使用次數。上圖展示了LiC6的典型開路電位曲線。
鋰電池的陰極材料也有很多種。比如錳酸鋰（LMO）電池，其陰極材料為錳尖晶石，化學成分為Mn2O4。而鈷酸鋰（LCO）電池，其陰極材料為CoO2。錳酸鋰和鈷酸鋰都是用于鋰電池的傳統材料，而近年來電動汽車上的動力電池采用了高能量密度和高電池電壓的NMC（鎳鈷錳）三元材料，也有使用磷酸鐵鋰材料（LFP）作為電動汽車鋰電池的陰極材料。圖中右下圖表展示了錳酸鋰電池Lil+yMnO2陰極中的開路電勢（OCP）曲線。
典型的鋰電池電解質材料。電解質是將電解質鋰鹽（比如六氟磷酸鋰，LiPF6）混入高純度的有機溶劑制備而成。
展開 寶馬合作Northvolt和優美科 為電動車電池創造二次生命
最近，優美科公司也宣布將在歐洲開始興建陰極材料制造工廠，并且已經在歐洲建好了鋰離子電池回收工廠。優美科助力電池回收技術的發展，并將回收到的資源重新用于電池材料生產循壞，從而為未來可持續移動出行做出重要貢獻。
文章來源：蓋世汽車新能源
LG化學將斥資87億美元加強電池業務
LG化學預計其陰極材料產量將從2020年的4萬噸上升到2026年的26萬噸。
此外，LG化學還尋求在電池隔板業務上進行并購或合資，計劃在海外建立一家制造工廠，同時進一步擴大碳納米管的生產。Shin表示，為了保證陰極輸出金屬的穩定供應，LG化學正在與一家礦業公司組建合資企業，以提高其采購競爭力。
LG還希望通過擴大電池材料的產品線，最大限度地擴大與其電池部門LG Energy Solution的合作關系。LG Energy Solution已向韓國交易所申請進行首次公開發行（IPO）的初步審查。Shin表示，LG Energy Solution可能在今年內上市，并補充說LG化學將繼續在該公司保持70%至80%的股份。
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展開 蘋果｜挖孔屏+隱藏Face ID！iPhone15將采用三星新的屏下攝像頭技術
新的UPC包含使用陰極(Cathode)掩模版材料的金屬圖形化層(MPL:Metal Patterning Layer)。
智能手機有機發光二極管(OLED)采用頂部發光(Top Emission)方式，從發光層發出的光線向陰極方向輸出，只有將不透明的陰極材料部位變為透明，才能支持UPC等功能。通過制作圖案，使部分陰極透明，就可以從外部進入光線，拍攝照片并識別用戶。
OTI Lumionics公司一直在開發一種技術，將有機物陰極圖形化材料(CPM:Cathode Patterning Material)圖案化和蒸鍍為精細金屬掩模板(FMM)，然后將陰極蒸鍍到Open Metal Mask(OMM)中，陰極會避開CPM而蒸鍍。鎂-銀(Mg-Ag)合金的陰極材料聚集到沒有CPM的地方就完成了圖案化。OTI Lumionics公司表示，只要在蒸鍍機上添加CPM蒸鍍用的Chamber，就可以形成陰極圖案。
三星顯示按計劃完成開發后，新的UPC技術將首先應用于明年推出的三星電子的可折疊智能手機Galaxy Z Fold 5(暫稱)UPC上，之后將搭載在蘋果iPhone 15 Pro系列的Under Panel Face ID上。iPhone15 Pro系列中，當Hole Display和Under Panel Face ID同時應用時，產品正面只剩下Hole Display。iPhone采用UPC技術預計到2024年才能實現。
據悉，今年即將上市的三星電子Galaxy Z Fold 4(暫稱)將采用與前款產品Galaxy Z Fold3相同結構的UPC。在現有UPC中，用激光鉆孔方式做了圖案。據悉，蘋果拒絕了使用激光鉆孔方式的UPC技術。
展開 小眾納米材料——二氧化釩的應用
一般的VO薄膜材料適應于較低電流的工作環境，而且膜材料的熱滯回線必須陡峭，而采用VO（VK-V01）粉體制成的塊狀材料能承受較大的電流，使其應用范圍更加廣泛。
3、鋰電池陰極材料
B相二氧化釩（VK-V01）主要由水熱法制備，它具有較高的充放電比容，在鋰離于池陰極材料方面具有很大的應用潛力。通過水熱法合成還原氧化不烯修飾的水合五氧化二釩納米帶。然后在氮氣中300℃退火得到鋰電池陰極極。這種VO./RGO薄膜網格結構為電子提供了高效的傳導途徑，同時也縮知鋰離子的擴散距離。電化學測試表明，該陰極膜可提供高的可逆比容量以及好的循環穩定性。
展開 Sakuú公司3D打印3Ah鋰固態電池
黑石磷酸鋰鐵陰極技術無需鈷或鎳
8. 3D打印可壓縮準固態鎳-鐵電池
詳解紫外線傳感器的三大結構分類
紫外線傳感器的結構分類：
目前國內外有使用價值的紫外管可以按陰極形狀分為球形、絲形 、平板形結構 , 均為二極管的電極結構形式 , 其外殼的形狀和材料種類是為使用要求 設計的 , 從工作狀態上看 , 以電極形狀分類進行分析較合適些。
1、球形陰極結構：
為了充分避免尖端效應 , 使光電子發射更加穩定和均勻 , 需要把工作區域在 陰極上固定 , 因為紫外管是靠光電子發射和氣體倍增來完成光信號轉變成 電信號并加以放大的 , 一般在電極較近的區域 , 光發射利用率最高。
無論光子從哪個角度輻射到半球形的陰極上 , 放電區域總是在靠近陽極的半球形頂點上 。因為陰極有效面積小 , 所以管子的工作電流一般小于0.3mA，但它的視角較寬而且視角靈敏度比較均勻, 特別適合于火情預報 的場所 , 還可用聚焦的方法提高靈敏度 。
在管內把陽極制成半球形反射面 , 如美國的耐540°C高溫的紫外光敏管 。 使接受到的紫外輻射反射到中心的陰極 , 提高管子的靈敏度 , 因為遠紫外輻射具有可見光一樣的直線傳播和反射的效應。
2、絲狀電極結構：
這類管子的電極一般是由兩根或多根對稱的金屬絲組成 , 這是紫外管早期 的一種結構形式 , 多用純度高的鎢絲或鉑絲 , 距離較近的平行線是工作區。由于紫外管完全靠電極表面的光電子發射效應 , 然后利用氣體倍增獲得較 強的信號，其光譜響應范圍取決于陰極材料的逸出功。
在光電子發射過程中，光子的波長越短能量越高 , 即使量很少也能激發電子克服逸出功飛出陰極表面 。 能量低的光子即使數量很多也不能激發出陰極表面的電子。 在紫外管中對陰極材料表面純度要求非常高，否則就會影響到光譜的范圍而失去使用價值 , 采用對稱的絲狀結構是為了工藝處理的方便 , 盡可能避 免其它物質對電極的污染 。
展開 豐田合作休斯頓大學 提升鎂離子電池性能
Yao表示，以前使用的陰極和電解質材料一直都是絆腳石。
到目前為止，鎂電池使用的最佳陰極是近20年前研發的Chevrel相硫化鉬，但是其在電力和儲能方面無法與鋰離子電池競爭。但最近的報告表明，有機陰極材料可以在室溫下提供高存儲容量，而且所測試的有機聚合物陰極比Chevrel相硫化鉬提供的電壓更高。
Yao表示，未來的研究將重點集中于進一步提高電池的比容量和電壓，以與鋰電池進行競爭。
來源：蓋世汽車網
鐘澄&陸俊 Adv. Energy Mater. 綜述.: 柔性鋅基可充電電池的最新進展
與鋰離子電池的嵌入/脫嵌機理不同，鋅基電池依賴于陽極和陰極之間的轉化化學。這種轉換機制表明它們的特定能量密度部分取決于陰極材料的選擇。根據放電產物的體積可分別計算出Zn-MnO2、Zn-Ni、Zn-Ag和Zn-空氣電池的特定能量密度為1344, 1542, 2351和6070 Wh L-1，所以鋅-空氣電池是最有前景的。然而，來自大氣的氧氣連續擴散到系統中的半開放結構可能潛在的導致電解質的水分損失并且一旦投入使用可能會在幾天之內就損壞了電池。因此，尋求具有高容量和低密度的新型陰極材料以構建能量密度可與鋅-空氣電池相匹敵但更少受半開放結構影響的Zn基電池將是未來的方向。
圖三、Zn / Ni電池與不同鋅陽極充電的示意圖比較
2.2、可充性
與鋰金屬陽極類似，使用純鋅作為鋅基電池的陽極也可能導致鋅枝晶的形成，然后明顯降低鋅陽極的循環耐久性以及整個系統的安全性。因此，這被認為是開發具有優異可再充電的鋅基電池的另一個關鍵因素。同時，研究發現與其他鋅基電池相比，可充電的鋅-空氣電池的陰極材料是來自環境大氣的氧氣的一種特殊的電池。在可充電鋅-空氣電池的放電-充電過程中，需要高性能雙功能催化劑以有效地促進氧還原反應（ORR）和析氧反應（OER）。這表明鋅-空氣電池的可再充電性在很大程度上取決于雙功能催化劑的使用，不包括鋅陽極的可再充電性。因此，致力于開發用于可再充電的柔性的Zn-空氣電池的高活性、高穩定性和成本有效的雙功能催化劑的巨大努力。例如，已經報道了具有不同形態的Co3O4（即超薄層、中空納米球、納米顆粒等）與碳材料結合的可再充電的柔性Zn-空氣電池。此外，通過摻雜或蝕刻制造的缺陷碳基材料也在可再充電的柔性Zn-空氣電池中表現出有希望的應用。
展開 吳凡研究員、李泓研究員團隊在IF=37.4頂刊發文：固態電池——從基礎研究到產業化
氧化物 SE：與硫化物 SES 相比，大多數氧化物 SE 的電化學穩定性窗口更寬，對陰極材料的穩定性更高。然而，如果采用高溫燒結工藝，使陰極材料與硬質氧化物 SEs 之間的界面接觸良好，就會發生界面化學反應。
為了形成離子和電子 "交聯 "傳輸網絡，在陰極復合材料中添加導電碳添加劑是一種常見的方法，這也會促進 SE 的分解，同時導致界面惡化。更具體地說，LGPS/LCO 復合材料中的碳添加劑會促進 LGPS 分解，導致容量衰減和界面電阻增大（圖 7e）。此外，根據 DFT 計算，LLZO 的氧化可能是由碳在高電壓下形成 Li2CO3/CO2 引起的。因此，盡量減小碳與 SE 之間的界面接觸面積或在這些復合材料中尋找更合適的導電劑對于抑制 SE 的不良分解至關重要。例如，Ti2O3 可作為碳添加劑的替代品，因為它具有高電子導電性（10～102 S cm-1）。
4.1.4.機械接觸損失
由于 SPE 的變形性和彈性，它與陰極的接觸程度適中。至于無機 SE，考慮到陰極復合材料主要由 SE 和 CAM 顆粒組成，必須最大限度地增加固體顆粒之間的接觸。只有減少陰極負載或增加 SE/陰極顆粒尺寸比，才能充分利用 CAM（圖 7f），而后者對制造高能量密度電池無效。
4.2.改善 SE/陰極界面的策略
4.2.1.SPE/ 陰極界面
圖 8. a) SPE 和 NCM 之間有無 APA 界面納米層的固-固界面示意圖。b) CSE 中 Li+ 的傳輸示意圖。c) 帶有原位形成的界面層的共燒結 SE 和陰極示意圖。d) 具有三層三維互穿結構的 ASSLB 示意圖。e) 經 GPE 修飾的陰極/LLZTO 界面放大圖。f) LCO 表面原位生長的 Li3InCl6 圖。
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