【顶刊集锦】锂电-电极材料及原位表征技术、电催化理论计算、钾离子混合电容器

有机电极材料长期以来是下一代可持续锂离子电池(LIBs)的研究热点。亚胺类化合物具有成本低、理论容量大、工作电压高、氧化还原反应快等优点，是一种极具发展前景的正极化合物。然而，若想投入实际应用，如何利用亚胺电极氧化还原活性位点仍然是一个挑战。

德国德累斯顿工业大学冯新亮课题组合成了一种与碳纳米管(CNT)集成的高度稳定的晶体2D聚芳酰亚胺(2D‐PAI)，该化合物可作为锂离子电池的正极材料。

这种材料拥有丰富的π共轭萘二酰亚胺氧化还原活性单元和稳固的环状酰亚胺键，赋予了材料高的氧化还原活性位点的有效利用率（82.9％），优异的结构稳定性和快速的离子扩散。因此，这种材料实现了高的倍率性能和超稳定的循环性能（在8000次循环后100％容量保持率），远远超过了现有技术的聚酰亚胺电极。

这项工作可能会激发开发新型有机电极，用于可持续和耐用的可充电电池。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201901478

金属锂负极安全性差、循环寿命短、效率低，严重阻碍了其商业化应用。近年来，在锂负极上建立人工界面层被认为是稳定锂电极的有效策略。然而，到目前为止报道的界面修饰层大多是直接在金属锂上构筑的，由于金属锂的高反应活性，往往需要严格的反应条件和惰性环境保护以及高度选择性的试剂。此外，理想的界面层材料还应该满足能够有力地调整锂表面不均匀的锂离子通量。

华中科技大学李会巧团队及斯坦福大学崔屹团队采用g‐C₃N₄作为锂离子调节材料，开发了一种全新的可自转移策略，为Li负极构筑了一种界面层，这种策略无需任何惰性气体保护，且对化学试剂的选择范围限制很少。

首先将含有g‐C₃N₄纳米薄片的分散液通过抽滤在普通的电池隔膜上预制成膜，然后在正常电池组装过程中将表面覆有C₃N₄层的隔膜面向锂负极摆放，滴加电解液，在电解液的润湿作用下由于C₃N₄强的亲锂性该修饰层会自发从电池隔膜上转移到锂负极的表面。而g‐C₃N₄纳米薄片中含有丰富的氮元素，其可以与Li⁺形成过渡态的Li-N键，从而有效地稳定锂负极表界面的锂离子通量，使锂负极可以经受900次的长循环并保持高的库伦效率（超过99%），同时在高电流密度和高容量下也可以顺利沉积，性能优于以往的报道。 

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201900342

氮掺杂石墨炔是一种很有前途的无金属氧还原反应(ORR)电催化剂。然而，哪种类型的N掺杂剂有助于提高催化性能?其它杂原子掺杂石墨炔的催化性能如何？ 这些重要问题尚未得到系统的研究。

美国波多黎各大学陈中方与哈尔滨师范大学赵景祥团队通过DFT计算考察了X‐掺杂(X = B, N, P, S)石墨炔对氧还原反应（ORR）和析氧反应(OER)的催化性能。

计算结果表明，石墨S掺杂石墨炔（模型S1），sp-N掺杂石墨炔（模型N3）和石墨型P掺杂石墨炔（模型P1）具有优异的ORR / OER催化活性，催化性能可与Pt/C或RuO₂相媲美，甚至更好。 对于ORR反应，掺杂石墨炔的催化活性趋势为模型S1> Pt/C >模型N3；对于OER反应，催化活性趋势为模型P1 > RuO₂ > 模型N3。在N3和S1模型中，靠近N‐和S‐杂原子且带有较多正电荷的碳原子是ORR活性位点，而在N3和P1模型中，靠近N‐和P‐杂原子且具有高自旋的碳原子是OER活性位点。

总体而言，本研究不仅深入研究了氮掺杂石墨炔的ORR催化活性，而且发现了其他杂原子掺杂石墨炔对ORR/OER 反应优越的催化性能。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smtd.201800550

随着储能需求的不断增长，要求对现有锂离子电池电极材料进行大幅度的改进，并开发出先进的电极材料。因此，有必要对实际操作条件下的反应过程、降解机理和热分解机理有深入的了解。这种理解可以通过原位/操作过程表征技术获得，该技术提供了有关结构演化、氧化还原机理、固体电解质间相(SEI)形成、副反应以及在操作条件下锂离子传输特性的信息。

清华大学深圳研究生院李宝华团队总结了近年来原位/操作技术在结构稳定性、动力性能、化学环境变化和形态演化等方面的研究进展。本文总结的实验方法包括X射线、电子、中子、光学和扫描探针。详细介绍了实验方法和工作原理，特别是原位电池设计。

总结了原位/操作技术的代表性研究，最后讨论了当前的主要挑战和未来的机遇。几个重要的电池领域的挑战可能会受益于这些原位/操作技术，包括高能量高密度阴极的非均相反应，安全可逆的Li金属镀层的发展，以及稳定SEI的发展。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201806620

钾离子存储技术作为锂离子存储技术的一种很有前途的替代品，目前还处于起步阶段，探索合适的电极材料对其实际应用至关重要。

中科院兰州化物所阎兴斌团队论证了化学气相沉积法制备无序、大层间距、富氧碳纳米片(CNSs)用于钾离子存储的可行性。

CNSs作为阳极材料，具有优异的速率性能和良好的循环稳定性。利用这一优势，利用电池正极和活性炭作为电容器负极的CNSs构建了钾离子混合电容器(PIHC)。器件显示了149 Wh kg⁻¹的高能量密度，21kW kg⁻¹的超高功率输出，以及较长的循环寿命(5000次循环后80%的容量保持能力)。

这项工作促进了钾离子存储设备高性能阳极材料的开发，设计的PIHC将能量密度和功率密度推向了更高的水平。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.201803894