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品味智慧之光

縱使攬勝四方

我自封面大賞

——編者

鋰離子電池正極材料

炫酷！頂刊封面大賞 — Advanced系列能源轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)類（7月第2期）

日本京都大學(xué)Kohei Miyazak教授課題組報(bào)道了一種正極電解液界面（CEI）的形成過(guò)程。CEI是電池在運(yùn)行不久后由于電解液分解而逐漸生長(zhǎng)在正極表面的一層膜。這層膜對(duì)于保障電池穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。有機(jī)電解液容易形成CEI，但近年來(lái)水系電解液也逐漸有形成CEI的報(bào)道。這些水系電解液大多含有高濃度含氟有機(jī)離子。

本工作顛覆了這一規(guī)律，首次報(bào)道在飽和LiNO₃水溶液（9.5 M，含少量LiOH，pH=10）中亦能形成CEI。當(dāng)LiNiO₂正極在0-1.2 V (vs. Ag/AgCl) 電壓區(qū)間工作時(shí)，作者們觀察到Li⁺首次脫出時(shí)會(huì)在該正極表面形成主要成分為L(zhǎng)i₂CO₃和LiOH的CEI。

這層CEI抑制了電極與電解液的副反應(yīng)，提升了正極結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。因此，CEI附著的正極在50次充放電循環(huán)后能保持近70%電容，而無(wú)CEI保護(hù)的正極同樣條件下電容幾乎為零。

封面前端展示LiNiO₂電極在電解液中形成CEI的示意圖：左側(cè)為電極，右側(cè)為電解液，中間透明膜為CEI。后方的盾牌防御構(gòu)圖突顯了CEI膜維持電池穩(wěn)定運(yùn)行的保護(hù)作用。

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雙離子電池

中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院唐永炳研究員團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種能在6.0 V高壓下穩(wěn)定使用的雙離子電池電解液。雙離子電池通常采用石墨正極，依靠陰陽(yáng)離子同時(shí)在兩電極上嵌入/脫出存儲(chǔ)電能。因?yàn)殛庪x子嵌入/脫出電位高（一般>4.5 V vs. Li⁺/Li），雙離子電池比傳統(tǒng)鋰離子電池理論上存儲(chǔ)的能量更多。然而，電池常用的碳酸酯類電解液在高電壓下容易分解，縮短電池壽命并帶來(lái)安全隱患。

本文報(bào)道了一種能在6.0 V下穩(wěn)定工作的砜類電解液，具體成分是4.0 m（molality）LiFSI的四亞甲基砜溶液。這種電解液綜合了砜類溶劑本征電化學(xué)穩(wěn)定性高、FSI鹽溶解度大的優(yōu)點(diǎn)，而且高濃度鹽使溶液體系中自由溶劑分子數(shù)量銳減。

這些因素都有助于提高電解液高電壓下的穩(wěn)定性并提升正負(fù)極反應(yīng)的可逆性。使用該電解液的雙離子電池在5.2 V電壓下電解液-電極界面無(wú)氣泡生成，電池能量密度達(dá)到113.3 mAh/g，1000次充放電循環(huán)后容量保持94.7%。

封面模仿了中子星噴流，不過(guò)向兩邊噴出的不是射電噴流，而是陰陽(yáng)離子。這樣的構(gòu)圖可能是模仿了雙離子電池的隔膜處離子在外加電場(chǎng)下分別向兩電極側(cè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)。兩塊光彩四溢的光球可能代表了電池在高電壓電解液加持下能量密度高的特點(diǎn)。

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鋅離子電池

美國(guó)路易斯安娜州立大學(xué)Qinglin Wu教授、Wangwang Xu博士，南京林業(yè)大學(xué)梅長(zhǎng)彤教授等報(bào)道了一種可自充電的鋅離子電池。這種新型鋅離子電池由二氧化釩VO₂正極、金屬鋅負(fù)極、聚丙烯酰胺-殼多糖水凝膠電解液構(gòu)成。VO₂電極的穩(wěn)定層狀結(jié)構(gòu)和凝膠電解液的微觀交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)成為離子快速傳導(dǎo)通道，保障了電池的性能。139.0 W/kg功率密度下的能量密度達(dá)到231.9 Wh/kg。

此外，作者們發(fā)現(xiàn)這種電池在空氣中放置可發(fā)生自充電過(guò)程。這是因?yàn)榭諝庵醒鯕庋趸烹姾筇幱谶€原態(tài)的正極電極材料所致。放電完全的鋅離子電池在空氣中放置6 h后，可于0.2 A/g電流密度下放出263.9 mAh/g電能。添加少量醋酸以除去電池運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)物后（鋅的堿性氧化物，附著在正極表面影響Zn²⁺進(jìn)入），該電池能穩(wěn)定自充放電20次。

跑步小哥右臂上的手機(jī)正通過(guò)自充電鋅離子電池充電。放大圖展示了該電池的結(jié)構(gòu)：下層銀白色小球陣列為鋅負(fù)極，中間透明層為水凝膠電解質(zhì)，上部暗紅色層為VO₂正極。漂浮其中的氧氣分子氧化正極后形成水，完成電池自充電。

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