1:固態(tài)電解質(zhì)最新成果 登上Science!
日本東京工業(yè)大學(xué)創(chuàng)新研究所全固態(tài)電池研究中心Ryoji Kanno教授團(tuán)隊(duì)利用高熵材料的特性,通過增加已知鋰超離子導(dǎo)體的組成復(fù)雜性來設(shè)計(jì)了一種高離子導(dǎo)電的固態(tài)電解質(zhì),以消除離子遷移的障礙,同時(shí)保持超離子導(dǎo)電的結(jié)構(gòu)框架。合成的具有組成復(fù)雜性的相顯示出改進(jìn)的離子導(dǎo)電性能。證明了這種高導(dǎo)電固態(tài)電解質(zhì)能夠在室溫下對厚鋰離子電池陰極進(jìn)行充放電,因此具有改變傳統(tǒng)電池配置的潛力。相關(guān)成果以“A lithium superionic conductor for millimeter-thick battery electrode”為題發(fā)表在Science上。
2:Science:鋰空氣電池
美國伊利諾伊理工大學(xué)(Illinois Institute of Technology)Alireza Kondori,Larry A. Curtiss,Mohammad Asadi等人在Science上發(fā)表論文?;谘趸嚕↙i2O)形成的鋰空氣電池理論上可以提供與汽油相當(dāng)?shù)哪芰棵芏?。氧化鋰的形成涉及四電子反?yīng),這比分別產(chǎn)生超氧化物鋰(LiO2)和過氧化鋰(Li2O2)的單電子和雙電子反應(yīng)過程更難實(shí)現(xiàn)。研究團(tuán)隊(duì)通過使用基于嵌入改性聚環(huán)氧乙烷聚合物基體中的Li10GeP2S12納米顆粒的復(fù)合聚合物電解質(zhì),Li2O是室溫固態(tài)鋰空氣電池的主要產(chǎn)品。該電池可在低極化間隙下充電1000次,并可高速率運(yùn)行。研究成果以A room temperature rechargeable Li2O-based lithium-air battery enabled by a solid electrolyte為題發(fā)表于Science。
3:王春生鋰電池成果 ?再發(fā)Nature!!!
美國馬里蘭大學(xué)王春生教授等人(共同通訊作者)在正極測采用不同重量比的Bi和Mg粉體球磨法合成了不同成分的Mg-Bi合金(MgxBi84;x=0、2、8、16、24)。由于Mg16Bi84使Li6PS5Cl在1.9?mA?cm–2和1.9?mAh?cm–2下達(dá)到最高的臨界電流密度(CCD),選擇它來研究Li沉積/剝離活化過程中的Mg遷移過程。Mg16Bi84負(fù)極夾層的優(yōu)點(diǎn)包括:LiMgSx?SEI的形成保護(hù)了Li6PS5Cl免受還原,并將Li6PS5Cl電解質(zhì)與Li3Bi層緊密接觸;同時(shí),Mg向鋰負(fù)極的遷移將Li3Bi層粘結(jié)到鋰負(fù)極,在高容量容量時(shí)在多孔Li3Bi層的孔中沉積,有效地緩解Li沉積/剝離過程中的應(yīng)力變化,降低了堆積壓力;Li3Bi/Li6PS5Cl界面的高電位(約0.7 V)進(jìn)一步穩(wěn)定了Li6PS5Cl電解質(zhì),加速了Mg的遷移。更加重要的一點(diǎn)是,Li3Bi的高離子/電子電導(dǎo)率確保了Li沉積在Li3Bi/Li界面上,而不是在Li3Bi/Li6PS5Cl界面上。在正極側(cè),作者使用一種富氟(F)的界面層,其中F陰離子能夠在4.3V時(shí)從NMC811表面層遷移到NMC811體相中,從而使得表明涂覆轉(zhuǎn)化為F摻雜,最終使得NMC811從表面到體相的材料穩(wěn)定性得到大幅度提高,即使在2.5 MPa的低堆疊壓力下也能實(shí)現(xiàn)極其優(yōu)異的性能。相關(guān)研究成果以“Interface design for all-solid-state lithium batteries”為題發(fā)表在Nature上。
4:廈門大學(xué)最新Nature?。?!
廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院廖洪鋼教授、孫世剛院士團(tuán)隊(duì),與北京化工大學(xué)陳建峰院士團(tuán)隊(duì)和美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室徐桂良、Khalil Amine研究員團(tuán)隊(duì)在液體電池內(nèi)構(gòu)建了一個(gè)Li-S納米電池,并結(jié)合電化學(xué)透射電子顯微鏡(EC-TEM),在醚類電解質(zhì)內(nèi)實(shí)現(xiàn)了對電極表面LiPSs演變的高分辨率實(shí)時(shí)觀察。研究表明,活性中心將可溶性LiPSs聚集成類似液滴的密集相,并引發(fā)了非平衡納米晶/無定形Li2S的瞬時(shí)沉積,而不是傳統(tǒng)的逐步轉(zhuǎn)化。密度泛函理論(DFT)計(jì)算和分子動(dòng)力學(xué)(MD)模擬指出,聚集誘導(dǎo)的相變是由于活性中心與LiPSs液滴狀密集之間的遠(yuǎn)程靜電相互作用和集體電荷轉(zhuǎn)移行為而導(dǎo)致的。
由于高能量密度和低成本,鋰-硫(Li-S)電池被認(rèn)為是先進(jìn)能源存儲(chǔ)系統(tǒng)的有希望的候選者。盡管在抑制鋰硫化物長期存在的“穿梭效應(yīng)”方面付出了巨大努力,但在納米尺度上理解鋰硫化物的界面反應(yīng)仍然難以捉摸。研究團(tuán)隊(duì)使用原位液體電池電化學(xué)透射電子顯微鏡,直接可視化了鋰硫化物在電極表面的原子尺度轉(zhuǎn)化。值得注意的是,研究團(tuán)隊(duì)捕捉到了鋰硫化物在納米團(tuán)簇活性中心固定表面上發(fā)生的出乎意料的聚集誘導(dǎo)的集體電荷轉(zhuǎn)移。它進(jìn)一步導(dǎo)致了從濃密的鋰硫化物液相瞬間沉積出非平衡的Li2S納米晶體。在沒有活性中心的介入的情況下,反應(yīng)遵循了經(jīng)典的單分子途徑,鋰硫化物逐步轉(zhuǎn)化為Li2S2和Li2S。分子動(dòng)力學(xué)模擬表明,活性中心與鋰硫化物之間的遠(yuǎn)程靜電相互作用促進(jìn)了由Li+和Sn2?(2 < n ≤ 6)組成的密集相的形成,密集相中的集體電荷轉(zhuǎn)移也被從頭分子動(dòng)力學(xué)模擬所驗(yàn)證。這種集體界面反應(yīng)路徑揭示了一種新的轉(zhuǎn)化機(jī)制,深化了對Li-S電池的基本理解。相關(guān)研究成果以“Visualizing interfacial collective reaction behaviour of Li–S batteries”為題,發(fā)表在頂級(jí)期刊《Nature》上。該論文的第一作者是廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院的博士研究生周詩遠(yuǎn),以及北京化工大學(xué)的施杰博士。
5:UCLA李煜章最新Nature!!!
美國加州大學(xué)洛杉磯分校李煜章教授課題組通過在超快沉積電流密度下超過SEI膜的形成速度來解耦這兩個(gè)相互交織的過程,同時(shí)也避免了質(zhì)量傳輸?shù)南拗?/strong>。通過使用低溫電子顯微鏡,本工作發(fā)現(xiàn)一旦SEI不再影響鋰金屬的沉積行為,Li金屬將不再沉積為的枝晶狀,而是形成了完美的菱形十二面體形貌,這與電解質(zhì)化學(xué)或集流體基底無關(guān)。本工作提出了一種脈沖電流源協(xié)議,通過利用Li菱形十二面體作為成核種子來克服這種失效模式,從而實(shí)現(xiàn)了致密Li的后續(xù)生長,提高了電池性能。雖然在過去的研究中,鋰沉積和SEI膜的形成一直是緊密相連的,但本工作的實(shí)驗(yàn)方法為從根本上理解這些相互解耦的過程提供了新的機(jī)會(huì),并為設(shè)計(jì)更好的電池帶來了新的見解。相關(guān)論文以題為“Ultrafast deposition of faceted lithium polyhedra by outpacing SEI formation”發(fā)表在Nature上。
6:固態(tài)電池最新Nature!!! 一作已入職寧德時(shí)代
英國牛津大學(xué)Peter G. Bruce、T. James Marrow、 Charles W. Monroe教授課題組基于對全固態(tài)電池枝晶過程的多尺度多手段表征與原位追蹤,提出了新的全固態(tài)電池枝晶理論,將全固態(tài)電池的枝晶短路過程分為引發(fā)和擴(kuò)張兩個(gè)不同的階段,并分別建立了理論模型。其中枝晶的引發(fā)產(chǎn)生于鋰在與Li/SE界面連通的近界面孔洞(缺陷)的沉積,在孔洞填滿后將鋰擠出的過程中,過大電流密度使得鋰作為粘塑流體的流動(dòng)過程產(chǎn)生極大的內(nèi)部應(yīng)力,從而引發(fā)電解質(zhì)碎裂。而鋰枝晶的擴(kuò)張過程是一個(gè)鋰枝晶在沉積的動(dòng)態(tài)過程中從枝晶裂紋的尾部將固態(tài)電解質(zhì)楔開(wedge open)的過程。枝晶的引發(fā)取決于固態(tài)電解質(zhì)晶界的局部斷裂強(qiáng)度、孔洞的尺寸、分布密度、及電流密度;而枝晶的擴(kuò)張過程取決于固態(tài)電解質(zhì)的宏觀斷裂韌性,枝晶在裂紋中的分布情況,電流密度,以及充電過程的面容量。根據(jù)鋰金屬在枝晶引發(fā)階段與擴(kuò)張階段力學(xué)環(huán)境的差異,引發(fā)與擴(kuò)張階段對固態(tài)電池外部壓力的敏感性截然不同。只有較大的壓力才會(huì)大幅影響枝晶的引發(fā)過程,但枝晶的擴(kuò)張過程卻對外部壓力非常敏感。降低外部壓力可以顯著抑制枝晶的擴(kuò)張階段,即使在枝晶引發(fā)的狀態(tài)下也可以大幅延后固態(tài)電池的短路。研究成果以“Dendrite initiation and propagation in lithium metal solid-state batteries”為題發(fā)表于Nature。寧子楊、李冠辰、Dominic Melvin共同一作。
7:STXM研究鋰電池非均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)
美國麻省理工學(xué)院Martin Z. Bazant教授等人工作表明表明,可以從碳包覆的磷酸鐵鋰納米顆粒的原位掃描透射X射線顯微鏡(STXM)圖像中了解到非均相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。將STXM圖像的大型數(shù)據(jù)集與熱力學(xué)一致的電化學(xué)相場模型、偏微分方程(PDE)約束優(yōu)化和不確定性量化相結(jié)合,研究團(tuán)隊(duì)提取了自由能級(jí)圖和反應(yīng)動(dòng)力學(xué),并驗(yàn)證了它們與理論模型的一致性,還了解了反應(yīng)速率的空間異質(zhì)性,這與通過俄歇電子顯微鏡(AEM)獲得的碳涂層厚度分布非常匹配。在180000個(gè)圖像像素中,與學(xué)習(xí)模型的平均差異非常?。?lt;7%),與實(shí)驗(yàn)噪聲相當(dāng)。研究結(jié)果為學(xué)習(xí)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法無法達(dá)到的非平衡材料性質(zhì)開辟了可能性,并為表征和優(yōu)化非均勻反應(yīng)表面提供了一種新的無損技術(shù)。相關(guān)研究成果以“Learning heterogeneous reaction kinetics from X-ray videos pixel by pixel”為題發(fā)表在Nature上。
8:18650電池也能發(fā)Nature!
倫敦大學(xué)學(xué)院的Shearing教授利用先進(jìn)的XRD方法對高速運(yùn)行的鋰離子18650電池進(jìn)行了充電狀態(tài)、機(jī)械應(yīng)變和溫度的表征。他們觀察到不同電池類型和電流條件下的內(nèi)部溫度變化,并發(fā)現(xiàn)充電協(xié)議對溫度升高有重要影響。這項(xiàng)研究為解決與溫度相關(guān)的電池問題提供了設(shè)計(jì)緩解措施的可能性,從而改善高速電動(dòng)汽車應(yīng)用中的熱管理。相關(guān)成果以 “Mapping internal temperatures during high-rate battery applications” 為題發(fā)表在Nature上。
這項(xiàng)創(chuàng)新性研究通過先進(jìn)的同步輻射X射線衍射方法,創(chuàng)新性地表征了高速運(yùn)行的鋰離子電池的充電狀態(tài)、機(jī)械應(yīng)變和溫度分布,為高速電動(dòng)汽車應(yīng)用中的熱管理提供了改進(jìn)的機(jī)會(huì)。