1. Nature Nanotechnology: 用于高能電池的金屬鋰負極的復興！

 

 

鋰離子電池對人們的日常生活產(chǎn)生了深遠的影響，商業(yè)化的使用碳負極的鋰離子電池現(xiàn)已基本接近其理論容量，難以滿足便攜電子設備、電動汽車和大規(guī)模能量存儲等方面越來越高的應用要求。在可用作鋰電池負極的材料中，金屬鋰具有最大的理論能量密度（3860 mAh g−1或2061 mAh cm−3）和最低的電化學勢（相對于標準氫電極為-3.04 V），是下一代高能鋰電池如Li-S和Li-空氣電池的負極材料的最佳選擇。然而，金屬鋰負極在實際應用中易生成枝晶，解決安全性和穩(wěn)定性的問題是當前金屬鋰負極研究的重點。斯坦福大學材料科學與工程系的崔屹教授（通訊作者）等人在Nature Nanotechnology發(fā)表了題為“Reviving the lithium metal anode for high-energy batteries”的綜述，首次系統(tǒng)總結了當前對于金屬鋰負極的理解，強調了近期在材料設計和先進表征方法上的重大進展，并且為金屬鋰負極未來的研究方向提供了參考。

 

2．Advanced Energy Materials：基于二維納米材料的分層結構用于可充電鋰電池

 

 

二維（2D）納米材料（即石墨烯及其衍生物，過渡金屬氧化物和過渡金屬二硫族元素）在能量儲存應用中受到很多關注，因為它們具有前所未有的性質和極大的多樣性。然而，它們在電極制造過程中的重新堆疊或聚集極大地阻礙了其在可再充電鋰電池中的進一步開發(fā)和應用。最近，基于2D納米材料的合理設計的分級結構已經(jīng)成為可再充電鋰電池應用中有前景的候選者。研究人員已經(jīng)開發(fā)出許多合成策略來獲得分級結構，并且已經(jīng)實現(xiàn)了基于這些層次結構的高性能儲能裝置。東北師范大學的謝海明教授和清華大學的李景虹教授（共同通訊）等人在Advanced Energy Materials上發(fā)表了題為“Hierarchical Structures based on Two-Dimensional Nanomaterials for Rechargeable Lithium Batteries”的綜述，文章總結了三維（3D）多孔網(wǎng)絡納米結構，中空納米結構和自支撐納米陣列三種層次結構的合成和特點，提出了分級結構納米材料作為鋰離子電池、鋰硫電池和鋰空氣電池的功能材料的代表性應用，特別是結構工程與電化學性能改善之間的關系，并提出這個快速發(fā)展的領域現(xiàn)有的挑戰(zhàn)和前景。

 

3. Advanced Materials：用于鋰硫電池的納米金屬氧化物和硫化物

 

 

具有高能量密度和較長循環(huán)壽命的鋰硫（Li-S）電池被認為是常規(guī)鋰離子電池之外最有前景的下一代儲能系統(tǒng)之一。 研究人員已經(jīng)提出了各種方法來打破Li-S電池系統(tǒng)的技術障礙。武漢理工大學麥立強教授和清華大學張強副教授（共同通訊作者）課題組在國際頂尖期刊Advanced Materials上聯(lián)合發(fā)表了題為”Nanostructured metal Oxides and Sulfides for Lithium–Sulfur Batteries”的綜述文章。該綜述詳細報道了最近納米結構金屬氧化物和硫化物用于增強硫利用率和電池壽命的文獻，探討了金屬氧化物/硫化物主體材料的內部特性和電化學性能，以及以上材料在固態(tài)硫正極、隔膜或隔層、鋰金屬負極保護、鋰聚硫化物電池中的使用，最后作出了對鋰硫電池未來發(fā)展的展望。

 

4．Advanced Materials：多孔一維納米材料的設計、制備及電化學儲能應用

 

 

電化學儲能（energy storage）技術對便攜式電子器件、交通輸運以及大型儲能系統(tǒng)都是至關重要的。而多孔一維納米材料（porous one-dimensional nanomaterials）結合了一維納米結構和多孔構造的優(yōu)勢，極大地促進了電化學儲能領域的發(fā)展。不久前，武漢理工大學的麥立強教授和加州大學洛杉磯分校的Bruce Dunn教授（共同通訊）等人在頂尖期刊Advanced Materials上聯(lián)合發(fā)表了題為”Porous One-Dimensional Nanomaterials: Design, Fabrication and Applications in Electrochemical Energy Storage”的綜述文章。該篇綜述非常詳實地描述了多孔一維納米結構、制備以及電化學儲能應用，并且討論了未來的發(fā)展方向。

 

5. Advanced Materials：復雜中空結構的可控合成及其在能源存儲與轉換中的應用

 

 

復雜的中空結構（intricate hollow structures）由于其獨特的結構特征，迷人的理化性質和廣泛的應用領域極大地吸引了科研工作者的興趣。最近，武漢理工大學的麥立強教授和周亮教授（共同通訊）等人在著名材料類期刊Advanced Materials上發(fā)表了題為“Intricate Hollow Structures: Controlled Synthesis and Applications in Energy Storage and Conversion”的綜述文章。這篇綜述主要從復雜的中空結構可控合成方法及其在能源存儲與轉換中的應用這兩方面回顧了復雜中空納米結構的研究進展，主要對其合成方法論做了一個詳細的分類和講解。

 

6．Nano Energy：全固態(tài)可充電鋰電池最新進展

 

 

化學電池在能量的存儲和轉換等方面發(fā)揮著重要作用。目前鋰離子電池由于其相對較高的能量密度而被認為是最有前景的一類電池。傳統(tǒng)的鋰離子電池通常使用離子電導率相對較高的有機液體電解質，但是存在著安全性差、壽命較短、能量密度低等一系列缺點。相比于使用液體電解質的鋰離子電池，使用不可燃的固體電解質的全固態(tài)鋰電池則可以避免這些問題，因而正受到世界范圍研究者們廣泛的關注。而電極/電解質界面問題是全固態(tài)鋰電池所面臨的挑戰(zhàn)，嚴重阻礙了其發(fā)展和應用。中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所孫春文研究員（通訊作者）、中南大學劉晉教授和上海大學張久俊教授（共同通訊）等在能源領域著名期刊Nano Energy上發(fā)表了題為“Recent advances in all-solid-state rechargeable lithium batteries”的綜述，系統(tǒng)總結了全固態(tài)鋰電池的最新研究進展和產(chǎn)業(yè)化進程，重點討論了固體電解質和電極/電解質界面存在的問題以及現(xiàn)有的解決方法，為全固態(tài)鋰電池未來的研究方向和新型固體電解質材料以及電池結構設計等方面的研究提供了參考。

 

7. Energy &Environmental Science：可再充電鋰電池和鋰離子電池的轉換正極

 

 

以Ni和Co為基礎的商業(yè)化鋰離子（Li-ion）電池插層型正極材料正面臨著低比能量，高毒性和高成本的問題。這種電池的能量存儲特性的進一步增加是具有挑戰(zhàn)性的，因為這種插層化合物的容量已經(jīng)接近其理論值，并且其最大電壓的進一步增加會引起嚴重的安全性問題。隨著新型應用需要更輕，更小，更安全和更低成本的電池，以便更廣泛地使用在插電式混合動力車和純電動車輛（PHEV和EV），無人駕駛和可再生能源，以及便攜式儲能市場的快速擴張，如太陽能和風能，因此轉換型正極材料是下一代可再充電鋰離子電池的重要選擇。這些正極的性能改進的持續(xù)快速進展在將來的應用中是非常重要的。

 

佐治亞理工學院Gleb Yushin教授（通訊作者）等在能源領域著名期刊Energy &Environmental Science上發(fā)表了題為“Conversion cathodes for rechargeable lithium and lithium-ion batteries”的綜述。文章中作者考慮了周期表中用于轉換正極元素的價格、豐度和安全性。進一步比較了運用廣泛的轉換材料的特定容量和體積容量。還通過提供負極為石墨、硅（Si）和鋰負極的鋰電池的實際可實現(xiàn)的體積能量密度和比能量模型，直接觀察了正極化學的影響。同時敘述了在電池中使用轉化型活性物質時所面臨的主要挑戰(zhàn)，以及克服它們的一般策略。最后討論了降低成本和提高性能的未來趨勢和前景。

 

8. Advanced Energy Materials：高負載和高能量的鋰硫電池

 

 

鋰硫電池由于具有高比能量、低成本和環(huán)境友好等特點而受到了廣泛關注。然而，在實際應用的道路上，仍有一些挑戰(zhàn)亟待解決，循環(huán)壽命短和硫負載量低是最尖銳的難題。來自清華大學的張強副教授（通訊作者）等人在Advanced Energy Materials上發(fā)表了題為“Review on High-Loading and High-Energy Lithium–Sulfur Batteries”的綜述，總結了鋰硫電池研究領域在高硫負載量、高能量密度方面的進展，重點介紹了正極的基礎電化學反應，硫寄主/多硫化物/Li2S界面宿主工程，顆粒設計和電極結構；負極的金屬鋰和非金屬負極；界面隔膜的修飾以及這些影響因素的綜合配置。

 

9. Advacned Materials：高性能Li-X(X=O2,S,Se,Te,I2,Br2)電池先進正極材料和電池模型設計最新進展

 

 

自1991年以來，大量電極材料（如LiNiO2、LiMn2O4和LiV3O8等）已經(jīng)被視為商業(yè)化LiCoO2正極材料的代替品。盡管這些電極材料有著改良的功率/能量密度，但是因為其工作電壓、能量密度、倍率特性仍然受現(xiàn)在技術所限制，所以仍然很難找到合適的進行大范圍商業(yè)化電動車所需的電極材料。就這一點而言，人們需要發(fā)展更高功率/能量密度的鋰離子電池電極材料。同時，電極很大程度上決定了電池的理論容量和能量密度，而且就金屬鋰基負極而言，Li-X電池的電化學性能取決于X正極。來自湖南大學的馬建民副教授和北京大學的郭少軍研究員(共同通訊)等人在國際著名期刊Advacned Materials上發(fā)表了題為”Recent Progress in the Design of Advanced Cathode Materials and Battery Models for High-Performance Lithium-X (X = O2, S, Se, Te, I2, Br2) Batteries”的綜述文章。該文章討論了Li-O2、Li-S電池領域正極材料發(fā)展過程中出現(xiàn)的問題及其解決方法。在新興的Li-Se、Li-Te電池中，總結了其作為鋰電池正極的優(yōu)勢以及電化學性能的最新研究進展。在Li-I2 (Br2)新興電池中，總結了不同電池設計(例如雙電解液、全有機電解液、有/無陰極流模式和集成燃料電池/太陽能電池)的優(yōu)勢以及電化學性能。最后概括了Li-X電池的研究進展、主要挑戰(zhàn)和未來展望。

 

10. National Science Review：基于轉換反應的可充電鋰金屬電池

 

 

鋰離子電池應用于消費電子領域已經(jīng)有二十年的歷史，傳統(tǒng)的鋰電池都是基于鋰離子的嵌入和脫嵌實現(xiàn)電能的存儲和釋放，然而，這種電池的理論容量限制了其進一步發(fā)展。最近，來自中科院化學研究所的郭玉國研究員和中科院長春應用化學研究所的張新波研究員（共同通訊）等人發(fā)表了關于基于轉換反應的可充電鋰離子電池的綜述。文中以Li-S電池和Li-O2電池為例，聚焦于新興鋰離子電池中的轉換反應。對電池中關鍵組分的基礎電化學和近期研究進展進行了廣泛的討論，指出了在Li-S電池和Li-O2電池中轉換反應面臨的主要問題和解決策略，并對進行最優(yōu)性能電池的設計進行了闡述。

 

11．Advanced Materials：下一代高能電池：鋰金屬電池的復興！

 

 

鋰金屬電池（LMBs）是最有希望的下一代高能量密度存儲設備之一，能夠滿足新興行業(yè)的嚴格要求。然而，直接應用金屬鋰可能帶來安全問題、較差的倍率和循環(huán)性能，甚至負極材料在電池內部的粉碎。其主要原因包括大極化和強電場引起的異質沉積導致的枝晶生長、金屬鋰極度活潑、循環(huán)時鋰體積無限變化等。這些缺點嚴重阻礙了LMBs的商業(yè)化。電池領域的各研究小組深入探討了鋰金屬負極的失效機理，提出了解決上述問題的有效方法。并對鋰離子的沉積行為、枝晶成核和生長機理、負極-電解質界面的影響等進行了深入研究。2014年~2016年，500多篇涉及上述難題的論文得以出版，2016年以來平均每月有15篇相關文章出爐。這些研究對下一代高能量密度LMBs鋰負極的復興起了很大作用。

 

華中科技大學的翟天佑教授和李會巧教授（共同通訊）等人在Advanced Materials上發(fā)表了題為“Reviving Lithium-metal Anodes for Next-Generation High-Energy Batteries”的綜述文章。文章介紹了鋰離子沉積/溶解行為的最新進展，以及鋰金屬負極的失效機理。

 

12. Nature Reviews Materials：有關鋰電池化學反應中的固態(tài)電解質

 

 

電池在我們生活中的實際應用起著重要的作用，包括電子消費，提供汽車的動力，間歇性可再生能源發(fā)電的固定負載等。然而，目前的商業(yè)化電池已經(jīng)不能滿足社會快速發(fā)展下的需求，比如便攜式電子器件、電動車、網(wǎng)絡儲能系統(tǒng)的等?，F(xiàn)在電池的發(fā)展需要具有更高的能量密度、更長的循環(huán)壽命，而且更安全廉價。過去200年間，絕大部分電池的研究關注的都是液態(tài)電解質系統(tǒng)，即使其具有高導電性和優(yōu)秀的電極表面潤濕性，但其電化學性能和熱穩(wěn)定性不好，離子選擇性低，安全性差。而用固態(tài)電解質替代液態(tài)電解質不僅克服了液態(tài)電解質持久的問題,也為開發(fā)新的化學電池提供了可能性，基于這些優(yōu)點，固態(tài)電解質電池的研究使用已經(jīng)出現(xiàn)迅速增長的趨勢。隨著不斷地研究，研究者們也已經(jīng)認識到這些系統(tǒng)所面臨的科技問題。德克薩斯大學的Arumugam Manthiram教授等人以“Lithium battery chemistries enabled by solid-state electrolytes”為題在Nature Reviews Materials上發(fā)表綜述，本文中提供了一個背景概覽，討論了儲能應用中的固態(tài)電解質材料的類型、離子傳輸機制和基本性質。

 

【小結】

 

結合2017上半年度的頂刊綜述，我們可以總結出，鋰離子電池現(xiàn)階段的研究熱點主要集中在鋰金屬負極的研究和改性（4篇相關），分級結構以及納米中空結構的形貌研究（3篇相關），全固態(tài)電池及固態(tài)電解質（3篇相關），鋰硫電池（2篇）等，但不論是哪方面的研究都是圍繞著解決鋰電池的核心問題（能量密度，安全性，功率密度）來進行的，這些問題也是鋰電池現(xiàn)階段乃至將來很長一段時間研究人員所需要努力的方向。