鑽石舞台

背景介紹

化石燃料的廣泛使用和隨之而來的環境污染、資源短缺，推動了人們對清潔能源和相關儲能器件的極大需求。由於電化學儲能系統如燃料電池、超級電容器和鋰離子電池等，具有轉換效率高並可實現零排放的優點，吸引了研究者的廣泛研究興趣並在各個領域得到了重要的應用。作為新一代儲能電源，鈉離子電池具有顯著的資源和成本優勢，被視為鋰離子電池的合適替代品，在大規模儲能領域有着巨大的應用前景。然而，Na+的較大半徑導致嵌/脫鈉動力學緩慢、充放電過程中電極材料體積膨脹大，造成材料結構粉碎，電池循環壽命短和倍率能力有限。因此，探索有效的策略以提升電極材料的結構穩定性和Na+離子的擴散動力學，進而獲得令人滿意的比容量和循環壽命，是鈉離子電池發展亟待解決的問題。

異質結構由兩種或多種組分通過物理（例如范德華力）和化學相互作用結合，所構成的異質界面產生的內置電場效應，有助於加速鈉離子擴散動力學、增加離子吸附能、改善結構穩定性、提高電導率和電荷轉移效率、富集活性位點等。因此，構建異質結構負極可以實現穩定的納米結構以及優異的Na+儲存性能。

成果簡介

本工作中，我們對近五年來金屬硫族化合物異質結構儲鈉負極的最新進展進行了歸納總結，並提出了實際應用中需要解決的三個關鍵方面。首先對異質結構在改善鈉離子電池電化學性能中的重要作用進行了概述，對金屬硫族化合物基異質結構儲鈉負極的常用合成方法進行了詳細的分類介紹，並討論了不同類型的金屬硫族化合物基異質結構儲鈉負極的最新研究進展及存在的問題。最後，我們提出了硫族化合物金屬基異質結構負極在實際應用中可能面臨的挑戰和未來值得探索的方向，以解決金屬硫族化合物基異質結構在鈉離子電池中存在的問題，實現長壽命和高倍率性能鈉離子電池。

作者簡介

繆悅，北京化工大學研究生，主要從事異質結構儲鈉電極材料的設計合成及電化學性能研究。

肖瑩，北京化工大學副教授，主要從事金屬離子電池電極材料和電解液的設計合成及應用，以及Li-CO2電池關鍵材料的設計與性能研究。

陳仕謀，北京化工大學教授，主要從事離子液體微觀結構與構效關係；離子液體新型電解質；鋰離子電池、鋰硫電池、固態電池、鋅離子電池等新型儲能材料與器件；大規模儲能技術等方面的研究。

Y. Miao, Y. Xiao, S. Hu, et al. Chalcogenides metal-based heterostructure anode materials toward Na+-storage application. Nano Research. https://doi.org/10.1007/s12274-022-4943-9.

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背景介紹

鋰離子電池（LIBs）由於其高比容量、長循環壽命以及高的能量和功率密度等優點，已成為應用最廣泛的儲能裝置，特別是在便攜式電子設備和電動汽車方面。然而，目前商用鋰離子電池的負極材料相對單一，僅限於理論容量較低的碳材料，這嚴重限制了電化學性能的進一步提高。因此，目前最迫切的問題是開發具有大理論容量的新型可替代負極材料。在鋰離子電池的各種潛在負極中，金屬硒化物由於其與鋰發生轉化反應而具有高的理論容量，故而受到廣泛關注。然而，硒化銅電極發生轉化反應時會導致巨大的體積變化，最終導致活性材料從電極上分離和聚集。此外，Li+在電極中的緩慢固態擴散和硒化銅的不良導電性嚴重限制了LIBs的倍率性能。為了解決上述問題，常用的策略是調節電極界面以提高界面穩定性和界面傳質。在電極表面上構建電極界面膜可以顯著加速電子轉移並穩定電極材料結構。然而，關於電極界面膜的確切微觀結構和作用仍需進一步研究。因此，開發具有優異Li+輸運性能的表面膜，明確其局部結構對進一步設計和改進高性能鋰離子電池至關重要。

研究方法

本文先用冷凝回流一鍋法製備Cu2O前驅體，經過硒化得到Cu2Se。最後，使用表面聚多巴胺包覆層輔助熱解的方法，在Cu2Se上設計了保護碳膜，形成擁有Cu-Se-C鍵的Cu2Se@C材料。系統的X射線光譜表徵和DFT計算表明，Cu2Se表面形成的Cu-Se-C鍵在界面調控中起着關鍵作用，使其具有優異的儲Li+性能。

成果簡介

中科大宋禮教授團隊設計出碳調控的硒化銅(Cu2Se@C)材料，用以顯著促進硒化物電極的界面穩定性和離子擴散。系統的X射線光譜表徵和DFT計算表明，在Cu2Se@C表面形成的Cu-Se-C鍵不僅提高了Cu2Se@C的導電性，而且延緩了電化學循環過程中的體積變化，在界面調控中起着關鍵作用，這使得Cu2Se@C的存儲動力學從Cu2Se的主要由離子擴散過程控制變為主要由電容過程控制。將這種獨特結構的Cu2Se@C作為鋰離子電池負極材料時，在0.1 A·g-1下達到810.3 mA·h·g-1的超高比容量，且在5 A·g-1下循環1500次後容量保持率仍可達83%。這種異質結結合化學鍵調控的策略為開發電池存儲系統的先進電極開闢了一條潛在的途徑。

圖文導讀

圖1形貌和結構表徵。

圖2證明Cu-Se-C鍵的存在。

圖3 Cu2Se@C和Cu2Se在LIBs中的電化學性能。

圖4 Cu2Se@C和Cu2Se中 Li+的動力學分析。

圖5 Cu2Se@C電極的儲存機理分析。

作者簡介

宋禮（通訊作者），中國科學技術大學國家同步輻射實驗室教授、博士生導師。長期致力於同步輻射技術及其應用的研究，近年來聚焦於納米材料和電化學器件的高分辨表徵方法以及在線測試平台的研製等，以實現同步輻射多技術聯用對工況下材料器件的全面動態探測。近五年發表通訊作者論文60餘篇，包括Nat. Energy、Nat. Sustain.、Nat.Commun.、Adv. Mater.、NanoResearch等。迄今，論文總被引28000餘次，個人H因子88，連續三年（2019、2020和2021年）入選科睿唯安全球高被引科學家。目前，擔任中國物理學會同步輻射專業委員會委員，中國物理學會四刊聯合和Nano Research期刊青年編委等。

陳雙明（通訊作者），中國科學技術大學國家同步輻射實驗室副研究員、碩士生導師，中國科學院「青年創新促進會」會員。2014年博士畢業於中國科學技術大學國家同步輻射實驗室。2014-2016年在中國科學技術大學國家同步輻射實驗室從事博士後工作（合作導師：宋禮）。2017年轉為副研究員。近年來，針對能源材料的動態儲能與催化機制，發展同步輻射譜學分析技術，開展了一系列創新性探索。近五年來，以第一/共一或通訊作者在Nat.Commun.、Adv. Mater.等國際知名期刊上發表論文49篇，H因子52，擔任《物理化學學報》青年編委。

課題組主頁：http://staff.ustc.edu.cn/~song2012/。

K. Zhu, S. Wei, Q. Zhou, et al. Interface regulation of Cu2Se via Cu–Se–C bonding for superior lithium-ion batteries. Nano Research. https://doi.org/10.1007/s12274-022-4953-7.

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背景介紹

鈷酸鋰（LiCoO2，LCO）作為消費類鋰離子電池最常用的正極材料，廣泛應用於3C電子設備領域。然而，在4.2V的截止電壓下，LCO僅能釋放其理論比容量（274mAh/g）的一半，難以滿足可移動電子設備日漸增長的能量密度需求。提高截止電壓是提升電池能量密度行之有效的策略，但當充電截止電壓提升到4.5Vvs.Li/Li+時，將帶來一系列的問題與挑戰。高工作電壓會加劇LCO界面上的電解液的氧化副反應，加劇正極的晶格氧析出和鈷離子溶出，繼而導致材料內部損傷和裂紋產生，會使得界面副反應持續惡化，大幅縮減電池的循環壽命。優化電解液配方是降低電解液在正極界面反應活性的一種行之有效的策略。相對經濟且有效的方法是引入少量的電解液添加劑，通過其犧牲分解達到鈍化LCO正極界面的目的。因此，基於實用化的軟包電池開發高電壓電解液添加劑，並探究其作用機制對於高壓鋰離子電池研究具有重要意義。

成果簡介

中國科學技術大學焦淑紅團隊聯合寧德新能源科技有限公司魯宇浩博士和北京工業大學閆鵬飛教授研究解析了一種多腈類添加劑——1,3,6-己烷三腈（HTCN）在高電壓鈷酸鋰表面的作用機制，並應用於鈷酸鋰/石墨軟包電池。在4.5V的截止工作電壓下，電池體現出優異的循環性能，具備實用意義。通過電子顯微鏡和元素含量分析，研究表明HTCN添加劑可以有效抑制鈷酸鋰材料內部裂紋的產生和鈷離子的溶出。結合X-射線光電子能譜和理論計算的結果，表明HTCN分子能有效地吸附在LCO表面，並且嵌入CEI，因此可以有效抑制電解液在LCO表面的持續氧化分解，從而顯著提升電池的循環穩定性。本研究在分子層面上提供了腈類添加劑作用機制的新認識，為理性設計新型高電壓正極添加劑具有一定的指導意義。

圖文導讀

作者簡介

C. Tang, Y. Chen, Z. Zhang, et al. Stable cycling of practical high-voltage LiCoO2 pouch cell via electrolyte modification. Nano Research. https://doi.org/10.1007/s12274-022-4955-5.

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