2017上半年鋰電池前沿綜述精選

考慮到電池的高能量密度、高電壓、原料和製備工藝的低成本等優點，鋰離子電池及下一代鋰電池（鋰硫電池、鋰空氣電池）的相關材料製備仍然是現階段儲能材料的研究熱點。本文精選了2017上半年度包括「金屬鋰負極」，「 用於可充電鋰電池的基於二維納米材料的分層結構」，「 用於鋰硫電池的納米金屬氧化物和硫化物」，「 多孔一維納米材料的設計、製備及電化學儲能應用」，「 有關鋰電池化學反應中的固態電解質」等鋰離子電池相關的前沿綜述，內容Rio豐富~

1. Nature Nanotechnology綜述: 用於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生了深遠的影響，商業化的使用碳負極的鋰離子電池現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（相對於標準氫電極為-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發表了題為「Reviving the lithium metal anode for high-energy batteries」的綜述，首次系統總結了當前對於金屬鋰負極的理解，強調了近期在材料設計和先進表徵方法上的重大進展，並且為金屬鋰負極未來的研究方向提供了參考。

文獻鏈接：Reviving the lithium metal anode for high-energy batteries(Nat. Nanotechnol., 2017, DOI: 10.1038/NNANO.2017.16)

材料牛詳戳：崔屹Nature子刊最新綜述：用於高能電池的金屬鋰負極的復興！

2．Advanced Energy Materials綜述：基於二維納米材料的分層結構用於可充電鋰電池

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，它們在電極製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和應用。最近，基於2D納米材料的合理設計的分級結構已經成為可再充電鋰電池應用中有前景的候選者。研究人員已經開發出許多合成策略來獲得分級結構，並且已經實現了基於這些層次結構的高性能儲能裝置。東北師範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）多孔網路納米結構，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係，並提出這個快速發展的領域現有的挑戰和前景。

文獻鏈接：Hierarchical Structures Based on Two-Dimensional Nanomaterials for Rechargeable Lithium Batteries（Adv. Energy Mater.，2017，DOI: 10.1002/aenm.201601906）

3. Advanced Materials綜述：用於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壽命的鋰硫（Li-S）電池被認為是常規鋰離子電池之外最有前景的下一代儲能系統之一。 研究人員已經提出了各種方法來打破Li-S電池系統的技術障礙。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上聯合發表了題為」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於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，最後作出了對鋰硫電池未來發展的展望。

文獻鏈接：Nanostructured Metal Oxides and Sulfides for Lithium–Sulfur Batteries(Adv.Mater.2017,DOI: 10.1002/adma.201601759)

材料牛詳戳：麥立強&張強AM綜述：用於鋰硫電池的納米金屬氧化物和硫化物

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

電化學儲能（energy storage）技術對攜帶型電子器件、交通輸運以及大型儲能系統都是至關重要的。而多孔一維納米材料（porous

文獻鏈接：Porous One-Dimensional Nanomaterials: Design, Fabrication and Applications in Electrochemical Energy Storage (Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201602300)

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

複雜的中空結構（intricate hollow structures）由於其獨特的結構特徵，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。這篇綜述主要從複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複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。

文獻鏈接：Intricate Hollow Structures: Controlled Synthesis and Applications in Energy Storage and Conversion (Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201602914)

材料牛詳戳：麥立強AM最新綜述：複雜中空結構的可控合成及其在能源存儲與轉換中的應用

6．Nano Energy綜述：全固態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揮著重要作用。目前鋰離子電池由於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。相比於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鋰電池則可以避免這些問題，因而正受到世界範圍研究者們廣泛的關注。而電極/電解質界面問題是全固態鋰電池所面臨的挑戰，嚴重阻礙了其發展和應用。中科院北京納米能源與系統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上發表了題為「Recent advances in all-solid-state rechargeable lithium batteries」的綜述，系統總結了全固態鋰電池的最新研究進展和產業化進程，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有的解決方法，為全固態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。

文獻鏈接：Recent advances in all-solid-state rechargeable lithium batteries (Nano Energy, 2017, DOI：10.1016/j.nanoen.2017.01.028)

材料牛詳戳：孫春文&張久俊Nano Energy最新綜述：全固態可充電鋰電池最新進展

7. Energy &Environmental Science綜述：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性的，因為這種插層化合物的容量已經接近其理論值，並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，以及攜帶型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快速進展在將來的應用中是非常重要的。

喬治亞理工學院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於轉換正極元素的價格、丰度和安全性。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，以及克服它們的一般策略。最後討論了降低成本和提高性能的未來趨勢和前景。

文獻鏈接：Conversion cathodes for rechargeable lithium and lithium-ion batteries（Energy Environ. Sci.，2017，DOI:10.1039/C6EE02326F）

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

鋰硫電池由於具有高比能量、低成本和環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，仍有一些挑戰亟待解決，循環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。

原文鏈接：Review on High-Loading and High-Energy Lithium–Sulfur Batteries（Adv. Energy Mater. 2017,DOI: 10.1002/aenm.201700260）

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9. Advacned Materials綜述：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）已經被視為商業化LiCoO2正極材料的代替品。儘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、倍率特性仍然受現在技術所限制，所以仍然很難找到合適的進行大範圍商業化電動車所需的電極材料。就這一點而言，人們需要發展更高功率/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於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展過程中出現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)的優勢以及電化學性能。最後概括了Li-X電池的研究進展、主要挑戰和未來展望。

文獻鏈接：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 (Adv.Mater.2017,DOI: 10.1002/adma.201606454)

10. National Science Review綜述：基於轉換反應的可充電鋰金屬電池

鋰離子電池應用於消費電子領域已經有二十年的歷史，傳統的鋰電池都是基於鋰離子的嵌入和脫嵌實現電能的存儲和釋放，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）等人發表了關於基於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，聚焦於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，並對進行最優性能電池的設計進行了闡述。

文獻鏈接： Progress of rechargeable lithium metal batteries based on conversion reactions（Natl.Sci.Rev.，2017，DOI:10.1093/nsr/nww078）

11．Advanced Materials綜述：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、循環時鋰體積無限變化等。這些缺點嚴重阻礙了LMBs的商業化。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。並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。

文獻鏈接：Reviving Lithium-Metal Anodes for Next-Generation High-Energy Batteries(Adv.Mater.,2017,DIO:10.1002/adma.201700007)

材料牛詳戳：翟天佑&李會巧Adv. Mater.綜述：下一代高能電池：鋰金屬電池的復興！

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

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電的固定負載等。然而，目前的商業化電池已經不能滿足社會快速發展下的需求，比如攜帶型電子器件、電動車、網路儲能系統的等。現在電池的發展需要具有更高的能量密度、更長的循環壽命，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電解質系統，即使其具有高導電性和優秀的電極表面潤濕性，但其電化學性能和熱穩定性不好，離子選擇性低，安全性差。而用固態電解質替代液態電解質不僅克服了液態電解質持久的問題,也為開發新的化學電池提供了可能性，基於這些優點，固態電解質電池的研究使用已經出現迅速增長的趨勢。隨著不斷地研究，研究者們也已經認識到這些系統所面臨的科技問題。德克薩斯大學的Arumugam Manthiram教授（通訊作者）等人以「Lithium battery chemistries enabled by solid-state electrolytes」為題在Nature Reviews Materials上發表綜述，本文中提供了一個背景概覽，討論了儲能應用中的固態電解質材料的類型、離子傳輸機制和基本性質。

文獻鏈接：Lithium battery chemistries enabled by solid-state electrolytes.( Nat. Rev. Mater., 2017, DOI: 10.1038/natrevmats.2016.103)

材料牛詳戳：Nature子刊綜述：有關鋰電池化學反應中的固態電解質

【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），全固態電池及固態電解質（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階段乃至將來很長一段時間研究人員所需要努力的方向。

研究本文由材料人新能源學術小組 背逆時光 供稿，參與新能源話題討論請加入「材料人新能源材料交流群 422065952」。

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