Nature & Science：锂电最前沿技术都在这里！
正所谓“一代材料一代神”，锂电行业的发展离不开对电极材料的研究，为了锂电行业的快速发展，科研工作者也从未停止过前进的脚步，而关于锂电行业最前沿的技术，你想知道的都在这里！
1、滑轮原理解决锂电池硅负极体积膨胀！
硅作为一种高容量的负极材料一直是研究的热点。不过，硅在反复充放电的过程中体积膨胀变化太大（最高可至300%左右），易导致材料微结构受损，电极电解质界面不稳定，电池循环寿命因而大大缩短。
有鉴于此，韩国高等科技学院的Ali Coskun和Jang Wook Choi等人报道了一种高弹性粘结剂，极大地提高了硅负极在充放电过程中的稳定性。
分子滑轮结构和应力释放机理
“分子滑轮”中的一部分环具有较强的胶粘性能，一部分环具有独特的自由滑动性能。两种性能的有机结合，使粘结剂弹性得到大幅提高，可承受硅负极的体积膨胀收缩变化，释放所产生的应力，在充放电过程中不至于发生破裂，稳定性得到增强。
本文节选自：Highlyelastic binders integrating polyrotaxanes for silicon microparticle anodes inlithium ion batteries Science, 2017, 357, 279-283, DOI: 10.1126/science.aal4373
2、粘弹性隔膜助力波浪状可拉伸锂离子电池
虽然关于柔性锂离子电池的研究有所进展，但是并未满足驱动可拉伸电子器件所需的优异的弯曲功能。同时，寻找能够实现大范围工业化生产且技术生产成本较低的可拉伸锂离子电池仍是一个巨大的挑战。
可拉伸波浪状锂离子电池的结构示意图
近日，来自斯坦福大学的崔屹教授(通讯作者)在著名期刊Advanced Energy Materials上报道了一种简单的构造全波浪状可拉伸锂离子电池的方法(值得注意的是，锂离子电池是宏观上的波浪状结构)。该电池的所有组成部分包括阴极、阳极、隔膜、集流体甚至是封装材料都可以同时被拉伸，最终组装得到的波浪状可拉伸锂离子电池展示了高能量密度和良好的循环稳定性。
文献链接：Stretchable Lithium-Ion Batteries Enabled by Device-Scaled Wavy Structure and Elastic-Sticky Separator(Adv. Energy.Mater: 10.1002/aenm.201701076)
3、一种可逆的无枝晶高容量锂金属电极的制备与表征
锂金属负极比容量高达3861mAhg-1，是最具前景的高比能量锂电池负极材料之一。然而锂金属负极枝晶问题使其备受循环寿命差和安全性能低的诟病，限制了其在高比能量电池中的实际应用。
可拉伸波浪状锂离子电池的结构示意图
有鉴于此，Wang,H.等人指出，要实现高面容量、高库伦效率的锂金属负极，就必须实现锂金属负极无枝晶的二维生长。这要求表面吸附的锂原子必须迁移得足够快，从而避免岛状成核。
循环后锂电极的SEM图
Wang,H. 等人采用锂金属电沉积动力学实现了无枝晶生长的高面容量（12mAhcm−2）锂金属负极，以及在高电流密度下（>5mAcm−2）具有超高的库伦效率（>99.98%），这为下一代的高容量锂电池的实现提供了可能。
文章节选自：Wang, H. et al. A reversibledendrite-free high-areal-capacity lithium metal electrode. Nat. Commun. 8,15106 doi: 10.1038/ncomms15106 (2017).
4、多级钛酸锂纳米颗粒材料可实现高容量电池的超级快充！
研究显示，尖晶石型钛酸锂（LTO）由于其在锂插入/提取期间的零应变行为以及优异的化学稳定性和良好的循环性，被认为是用于锂离子电池的很有希望的阴极材料，然而不幸的是这种材料具有低的离子和电子电导率，这一点阻碍了它的实用性。
钛酸锂纳米颗粒的分层结构
有鉴于此，Chaput等人开发了一种简便的醇热法来制备分层结构的LTO型纳米尖晶石的方法。通过分析方法（ICP-OES，XPS和XRD）的组合可以发现，这种材料具有超过理论值的低电流密度的记录容量，以及在50C电流密度下1000次循环之后几乎没有容量衰退的迹象。这表明实现基于LTO的能够进行超快速充电的电池的制造是极有希望的！
本文节选自： Odziomek, M. etal. Hierarchically structured lithium titanate for ultrafast charging inlong-life high capacity batteries. Nat.Commun. 8, 15636 doi: 10.1038/ncomms15636(2017).
5、极端温度条件下的锂电池材料
能源储存日益增长的需求，不断要求电池能够在各种极端条件下工作。锂离子电池作为新一代储能技术，虽然已经被广泛研究和应用，却几乎只能在室温环境中工作。这主要是因为，高温或低温，都将引起电池性能降低。尤其是在高温条件下，内部会产生较大的热量浮动，从而引起爆炸等安全事故。
常见正极材料在不同温度下的性能
正极是锂离子和电子的中转中心，很容易发生相变。另一方面，在深度充电情况下，电极-电解质界面发生的副反应往往会使电极结构变得不稳定。
石墨负极在极端温度条件下存在的挑战
负极材料的工作往往依赖于有效的异质结构钝化层，温度升高将使得钝化结构破坏，并引发副反应；而温度降低又将降低锂离子的透过性。
本文节选自：Marco-TulioF. Rodrigues, Pulickel M. Ajayan et al. A materials perspective on Li-ionbatteries at extreme temperatures. Nature Energy 2017, 2, 17108.
6、三维独立氮掺杂石墨烯气凝胶可作为增强钠储存的钠离子电池负极材料
钠离子电池缺陷很明显，除了“沉”之外，最主要就是其能量密度和电化学性能受到钠离子扩散动力学的阻碍。有鉴于此，Zhang等人通过水热反应制备了独立的氮掺杂石墨烯气凝胶来作为钠离子电池的潜在负极材料。
氮掺杂石墨烯气凝胶的合成路线
3D氮掺杂石墨烯气凝胶的FESEM表征
氮掺杂石墨烯气凝胶的优越的电化学性能可能归因于以下基本特征：
第一，获得的N掺杂石墨烯气凝胶的三维多孔骨架可以提供足够的间隙空间和更多的电化学活性位点用于钠离子的反应和储存，增加电极和电解质活性材料之间接触的表面积，并缩短钠离子的扩散距离。
第二，多孔结构可以在分解/脱分解过程中适应体积变化，从而保持电极材料的结构完整性。
第三，来自独立结构的强大的机械灵活性即使在高电流密度下也保证了改善的循环性能。
总之，通过水热反应和退火处理合成的3D独立的氮掺杂石墨烯气凝胶表现出了良好的贮钠性能，这项工作证明，三维独立氮掺杂石墨烯气凝胶是具有高能量存储的钠离子电池的很有潜力的候选负极材料。
文章节选自：J.Zhang. etal. 3D free-standing nitrogen-doped reduced graphene oxide aerogel as anode material for sodium ion batteries with enhanced sodium storage. Nat.Commun.8, 4886 doi: 10.1038/ncomms 4886(2017).
7、锂电池聚电解质添加有序陶瓷纳米线，增强离子电导率
固态聚电解质中主要由聚合物和锂盐构成，通常向其中加入无机纳米 粒子填充物以提高其电化学性能、导电性和机械强度。然而，这一复合聚电解质材料仍面临电导率较低的问题。
几种不同复合结构中锂离子传导路径
有鉴于此，Liu等人制备了一种复合聚电解质，其中含有有序排列的无机锂离子导体纳米线，其在30℃的电导率达 6.05 × 10−5 Scm-1，相较于含有随机取向纳米线的聚电解质提高了一个数量级。这一高的电导率归因于互不相交的有序纳米线表面形成快速的离子传导通道。此外，纳米线也增加了聚电解质的长期结构稳定性。
本文节选自：Enhancing ionic conductivity in composite polymer electrolytes with well-aligned ceramic nanowires，Nature Energy，DOI：10.1038/nenergy.2017.35.
8、自支持多孔碳薄膜用于高能锂硫电池正极
锂硫电池因具有能量密度高（2600 Wh/kg）、成本低和环境友好等优点，被认为是极具潜力的下一代高能量电池体系。但是，硫及其锂化产物的电子和离子导电性低、中间产物聚硫化物的溶解和穿梭效应以及充放电过程中体积变化大（~76%）等缺点阻碍了锂硫电池的商业化应用。
近日，浙江大学彭新生教授与加拿大滑铁卢大学的陈忠伟教授合作，以HKUST-1/CNT为前驱体，制备了一种多级孔结构的高导电柔性碳薄膜用于锂硫电池正极。该工作为高能量锂硫电池的正极设计提供了一种简便有效的方法，有利于进一步推动锂硫电池的商业化应用。
本文节选自：Strings of Porous Carbon Polyhedrons as Self-Standing Cathode Host for High-Energy-Density Lithium-Sulfur Batteries Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 6176-6180, DOI: 10.1002/anie.201700686
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