在此，我們總結了儲能領域TOP期刊2019年以來重要的研究進展，希望能給大家一些幫助和啟發。
1鋰離子電池
儘管研究的風向已經開始轉向更多的新型電池體系，然而自2019年以來，鋰離子電池仍然是發文最多的方向。最近鋰離子電池研究的一大重點是如何獲得具有能量密度的電極。其中一條途徑是開發新的電極材料和新的電池體系。另外一條簡單而又直接的途徑是採用厚的或者密實的電極。
麻省理工學院的Yet-MingChiang教授就沿著第二條途徑，開發了一個通用的，可擴大的製備具有低曲折度的厚電極的方法。作者將少量的油基磁流體加入到水溶液中來製備漿液。隨後對漿液施加一定的磁場，在磁力的作用下，油滴將會豎直的排列，形成相隔幾百微米的鏈狀。經過洗滌和乾燥就可以製備出具有豎直排列的多孔結構的厚電極，這些低曲折度的孔通道非常有利於離子的傳導。採用該方法，作者製備出了厚度超過400 μm的電極，其面容量高達14 mAhcm-2, 而傳統電極的面容量僅為2-4 mAhcm-2。
（L. Li, R.M. Erb, J. Wang, J. Wang, Y.-M. Chiang, Advanced Energy Materials, 9 (2019)；https://doi.org/10.1002/aenm.201802472）
圖1製備低曲折度的電極
圖2低曲折度鈷酸鋰電極的電化學性能
與此同時，中科院的HengLi也通過自下而上的靜電吸附輔助的自組裝方法制備了超高容量的LiFePO4複合正極材料。作者開發的UCFR-LFP超厚電極有1.35 mm厚，負載量達到了108 mgcm-2，面容量高達16.4 mAhcm-2。
（H. Li, L. Peng, D.B. Wu, J. Wu, Y.J. Zhu, X.L. Hu, Advanced Energy Materials, 9 (2019)；https://doi.org/10.1002/aenm.201802930）
需要注意的是，對於這些負載量超高，面容量超高的電極，我們也需要辯證的看待。因為這些電極計算的時候考慮的單位是面積（cm-2）而不是體積（cm-3），將來肯定還會有更高負載量和麵容量的電極出現。不過需要記得的是，能量密度計算的時候是以質量或者體積為基準的，而不是以面積。
2鋰硫電池
鋰硫電池是以硫作為正極，金屬鋰作為負極的鋰電池。它具有著低成本，資源豐富，環境友好，能量密度高的優勢，因此受到了廣泛的關注。由於硫本身的絕緣性質和中間相多硫化物的穿梭效應，研究者一直致力於開發出各種高導電和具有吸附性的材料來負載硫，以期得到高容量和高循環穩定性的鋰硫電池。最初，考慮到碳材料的高導電性，研究者們最常使用各種碳材料來負載硫正極。不過碳對多硫化物不具有吸附性或者吸附性很差，這導致鋰硫電池的循環性能很差。因此，大家轉向採用碳和金屬化合物的複合材料來負載鋰硫電池。儘管這種複合可以顯著改善鋰硫電池的循環性能，但是大量低密度的碳的存在也使得電極的體積能量密度偏低，甚至還不如傳統的鋰硫電池。鑑於此，許多學者已經開始研究僅採用金屬化合物來而不用碳來負載硫。與此同時，學者們也開始關注金屬及其化合物在鋰硫電池反應中的催化作用。
南開大學的Xue-Ping Gao教授在Advancedenergymaterials發表了一篇題為“NiCo2O4Nanofibers as Carbon-Free Sulfur Immobilizer to Fabricate Sulfur-Based Composite with High Volumetric Capacity for Lithium–Sulfur Battery”的論文，就是使用NiCo2O4來負載硫從而製備出高能量密度的鋰硫電池。作者通過靜電紡絲的方法將PAN，乙酸鎳和乙酸鈷的溶液製備成纖維束，然後通過在空氣中煅燒製備出多孔的鈷酸鎳纖維束，最後即可用來負載硫。鈷酸鎳的密度高達5.6 gcm-3，因此非常適於製備出高密度的鋰硫電池正極材料，負載硫後的複合材料密度也高達1.66gcm-3。電化學性能測試表明，相比於碳纖維負載的硫正極，鈷酸鎳負載的硫正極不僅具有著高的質量比容量（1125 mAh g-1），更是具有非常高的體積比容量（1867 mAh g-1），這幾乎是傳統硫/碳電極的兩倍。值得注意的是，作者研究發現，鈷酸鎳還有一定的催化作用，這有利於提高電極反應的動力學。
（Y.T. Liu, D.D. Han, L. Wang, G.R. Li, S. Liu, X.P. Gao, Advanced Energy Materials, 9 (2019)；https://doi.org/10.1002/aenm.201803477）
圖3採用鈷酸鎳和中空碳納米纖維來負載硫正極的電化學性能對比圖。
3粘接劑
粘接劑是電極的重要組成部分，它將活性物質，導電劑等材料緊密粘接在一起，並將其一起附著在金屬集流體上。粘接劑對電池的電化學性能同樣具有著重要的影響。相比於傳統的僅僅起到粘接作用的粘接劑，現在人們著重開發出具有功能性的粘接劑，以期提高電池的性能。中科學的Yue Ma就開發出了一種新型木質素粘接劑。這種粘接劑除了具有一般粘接劑的功能，它所具有的酚基還可以消除正極界面在充電過程中產生的自由基，從而抑制自由基鏈式反應並可以在電極與電解液之間形成穩定的多維相界面。基於此，使用該粘接劑可以將傳統的碳酸酯類的電解液的電壓窗口擴展到5V。研究發現，採用該粘接劑製備的LNMO5 V電極表現出了比傳統的PVDF粘接劑優異的多的循環穩定性。
（Y. Ma, K. Chen, J. Ma, G. Xu, S. Dong, B. Chen, J. Li, Z. Chen, X. Zhou, G. Cui, Energy & Environmental Science, 12 (2019)；https://doi.org/10.1039/c8ee02555j）
圖4木質素粘接劑和PVDF粘接劑的對比
4鋰金屬電池
現在，可充電的鋰離子電池牢牢佔據著便攜式電子設備和電動汽車市場。然而，傳統的由石墨負極已經不能滿足高能量密度儲能體系的需求了。因此，人們將方向轉向了鋰金屬負極。鋰金屬負極被譽為負極材料界的“聖盃”，這是因為它具有最高理論比容量（3860 mAhg-1），最低的氧化還原電位（相對於標準氫電位為−3.04 V）和較低的密度（0.53gcm-3）。這些特點使其有望成為終極的負極材料。但是，鋰金屬負極同樣也存在著很嚴重的問題。一個最大的問題是鋰離子在界面處不均勻的沉積，這會形成鋰枝晶，從而引發嚴重安全問題，並因為斷裂而形成不具有電化學活性的死鋰，從而造成鋰金屬負極快速的容量衰減。因此，如何抑制或者避免鋰枝晶的形成是鋰金屬負極的一大研究重點。
天津大學的Ziyang Lu在Advancedenergymaterials發表了一篇題為“Graphitic Carbon Nitride Induced Micro-Electric Field for Dendrite-Free Lithium Metal Anodes”的研究論文，論述了他在製備無枝晶鋰金屬負極方面的研究進展。作者首先製備出了g-C3N4，然後將其包覆Ni泡沫來製備出g-C3N4@Ni三維集流體用作鋰金屬負極。研究發現，親鋰的g-C3N4結合3D骨架非常有利於Li的均勻沉積並可顯著抑制鋰枝晶的形成。密度泛函計算和實驗研究都表明起源於g-C3N4的tri-s-triazine單元可以形成一種微電場，這個微電場可以在最初形核時引導形成無數的鋰晶核，從而有效地引導鋰在三維Ni泡沫上均勻的生長。此外，g-C3N4@Ni泡沫的三維多孔結構也有利於緩解體積變化和穩定SEI膜。因此，基於該材料的鋰金屬負極表現出了高的庫倫效率，長的循環壽命（高達900 h）以及低的過電勢。
（Z. Lu, Q. Liang, B. Wang, Y. Tao, Y. Zhao, W. Lv, D. Liu, C. Zhang, Z. Weng, J. Liang, H. Li, Q.-H. Yang, Advanced Energy Materials, 9 (2019)；https://doi.org/10.1002/aenm.201803186）
圖5金屬鋰在Ni泡沫和g-C3N4@Ni泡沫上的形核和沉積過程
5電解液和固態電解質
電解液是電池中必不可少的組成部分，它起著在電池正負極之間傳導離子的作用。通常的電解液是採用有機溶劑加鹽來製成的，然而這類電解液極易燃燒，產生危險。因此，學者們開始大力探索固態電解質，以求獲得高安全性，高能量密度的電池。鑑於鋰金屬電池方興未艾，最近人們一直在致力於研究可用於鋰金屬負極的電解液和固態電解質。中國科學院的Hui Duan就開發了一種可用於鋰金屬負極且具有高的電壓窗口的新型固態電解質（圖6）。這種新型的電解質具有著異質多層的結構，從而可以通過形成不同的電極/電解質界面來克服界面穩定性的問題。因此，該固態電解質的電化學窗口範圍寬達0-5 V。此外，該異質結構的固態電解質還可以抑制鋰枝晶的發展，因此可用來製備全固態鋰金屬電池。
（H. Duan, M. Fan, W.P. Chen, J.Y. Li, P.F. Wang, W.P. Wang, J.L. Shi, Y.X. Yin, L.J. Wan, Y.G. Guo, Advanced Materials, 31 (2019)；https://doi.org/10.1002/adma.201807789）
圖6（a-d）Li1.4Al0.4Ge1.6(PO4)3，（e-g）PAN@LAGP電解質和（h-l）PAN-PAN@LAGP電解質。
儘管固態電解質有希望將鋰金屬陽極應用於高能量密度的電池體系。不過，最新的研究也發現，相比於液態電解液，在一些固態電解質表面更容易形成鋰枝晶。然而其中的機理還不清楚。基於此，馬里蘭大學的Fudong Han就採用原位中子深度剖析技術研究了鋰枝晶的起源。研究發現，相比於LiPON，LLZO和Li3PS4的內表面更容易沉積鋰。這是因為LLZO和Li3PS4固態電解質具有高的電子導電率。因此，如何降低固體電解質的電子導電率是未來全固態鋰電池實現應用的一大關鍵。
（F. Han, A.S. Westover, J. Yue, X. Fan, F. Wang, M. Chi, D.N. Leonard, N.J. Dudney, H. Wang, C. Wang, Nature Energy, 4 (2019)；https://doi.org/10.1038/s41560-018-0312-z）
圖7對三種固態電解質的鋰濃度分佈進行原位中子深度剖析。
6鈉離子電池和鉀離子電池
由於鋰資源的有限性以及分佈的不均勻性，越來越多的學者開始研究與鋰同族的鈉離子電池和鉀離子電池。現在鈉離子電池的研究已經取得了初步的進展，正朝向高倍率，高容量，實用化的方向在發展。北京大學的Jing Zhou就基於Bi開發出了高面容量的鈉離子電池負極。作者發現Bi在鈉化的時候體積膨脹是具有各向異性的，其中是Z軸方向的膨脹率最高，為142%。基於此，作者就設計了超薄的Bi烯以緩解沿Z軸方向膨脹時的應力。基於此思路，最終制備的Bi烯/石墨烯複合材料表現出了優異的倍率性能和循環穩定性，且材料的面容量最高可達12 mAhcm-2。
（J. Zhou, J. Chen, M. Chen, J. Wang, X. Liu, B. Wei, Z. Wang, J. Li, L. Gu, Q. Zhang, H. Wang, L. Guo, Advanced Materials, 31 (2019)；https://doi.org/10.1002/adma.201807874）
圖8Bi到Na3Bi的結構演變和Bi在鈉化時的原位TEM圖
假如說鋰離子電池正處壯年，鈉離子電池處在青春期，那麼鉀離子電池還是小屁孩呢。不過，近來認為對鉀離子電池的興趣卻日益濃厚。現在人們的重點研究方向是仿照鋰離子電池和鈉離子電池的正負極材料來開發一系列可能的鉀離子電池正負極材料。來自馬里蘭大學的Jing Zheng開發了一種銻碳複合材料（Sb@CSN）用作鉀離子電池負極。這是複合材料的特點是Sb納米顆粒均勻分佈在碳球網絡內部。在對電解液進行優化後，該材料在100 mAg-1的電流密度下循環100圈後容量仍然有551 mAhg-1。它具有著迄今為止最好的鉀離子電池負極性能。此外，作者還對材料的儲鉀機理進行了研究。
（J. Zheng, Y. Yang, X. Fan, G. Ji, X. Ji, H. Wang, S. Hou, M.R. Zaiah, C. Wang, Energy & Environmental Science, 12 (2019)；https://doi.org/10.1039/c8ee02836b）
圖9Sb@CSN複合材料的製備過程
7新型儲能體系
儘管鋰離子電池已經廣泛應用在了電子設備，電網還有電動汽車等各個領域，不過鋰資源的短缺和人們對安全問題的擔憂也變得越來越嚴重。因此，開發具有高能量密度，長循環壽命和無安全問題的新型儲能體系就顯得很重要。最近，基於資源豐富的金屬，人們已經開發了許多新型電池系統，比如Al離子電池，Mg離子電池，還有Ca離子電池等。中佛羅里達大學的Kun Liang在Advancedenergy materials上發表了其在柔性Al離子電池方面的研究進展。考慮到SnS是一種典型的層狀材料，且具有較大的層間距和高的電子導電率，作者將其製成了自支撐的多孔薄膜，然後用作Al離子電池正極材料。該材料具有高達406 mAhg-1的比容量，且具有優異的柔性。
（J. Zheng, Y. Yang, X. Fan, G. Ji, X. Ji, H. Wang, S. Hou, M.R. Zaiah, C. Wang, Energy & Environmental Science, 12 (2019)；https://doi.org/10.1039/c8ee02836b）
考慮到金屬鎂具有高的容量，低的氧化還原電勢，豐富的資源以及不存在枝晶問題，人們也對Mg離子電池開展了研究。來自休斯頓大學的Hui Dong就在Joule上發表了題為“Directing Mg-Storage Chemistry in Organic Polymers toward High-Energy Mg Batteries”的研究論文。在這裡，採用Mg金屬負極，醌聚合物正極和無氯的電解液，作者首次展示了Mg離子直接存儲的電化學反應。這與之前的MgCl存儲化學體系明顯不同。這個新體系只需要使用大約10%的MgCl基系統的電解液。因此，基於該思想設計的Mg離子電池表現出了高的能量密度。
（H. Dong, Y. Liang, O. Tutusaus, R. Mohtadi, Y. Zhang, F. Hao, Y. Yao, Joule, 3 (2019)；https://doi.org/10.1016/j.joule.2018.11.022）
圖10 直接的Mg存儲化學
除此之外，人們還探索了一些其他新型儲能體系。與雙電層電容器相比，法拉第電池的電極通常難以具有超高的倍率性能和超長的循環性能。俄勒岡州立大學Xianyong Wu就報道了一種通過Grotthuss質子傳導來彌補法拉第電池這種性能差距。質子的轉移是通過協同解離和氫鍵網絡中O-H鍵的形成來完成的。作者研究發現，在類似水合普魯士藍的化合物中有大量的晶格水分子，這非常有利於在氧化還原反應期間進行Grotthuss質子傳導。當把這些材料用作電池的電極時，它們表現出了高達4000 C（380 Ag-1）的高倍率性能以及73萬全的循環性能。這也表明無擴散的Grotthuss拓撲化學的質子有著與需要離子在內部進行擴散的傳統電池電化學不一樣的反應機理。這也為高功率電化學儲能器件的發展指明瞭方向。
（X. Wu, J.J. Hong, W. Shin, L. Ma, T. Liu, X. Bi, Y. Yuan, Y. Qi, T.W. Surta, W. Huang, J. Neuefeind, T. Wu, P.A. Greaney, J. Lu, X. Ji, Nature Energy, 4 (2019)；https://doi.org/10.1038/s41560-018-0309-7）
圖11 電荷和能量的轉移，以及三種類型的類普魯士藍材料。
原標題:TOP期刊盤點：2019年來儲能領域最新進展
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