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盘点2017年清华大学深研院能源与环境材料创新团队论文

此篇推送主要为大家盘点清华大学深研院能源与环境材料创新团队年度内影响因子10以上的文章(共计17篇)。

盘点2017年清华大学深研院能源与环境材料创新团队论文

盘点2017年清华大学深研院能源与环境材料创新团队论文
锂-硫电池
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  ①Energy Environ. Sci.:超长寿命Li-S电池—孪生TiO2-TiN异质结构实现聚硫化物平滑地捕获-扩散-转化

盘点2017年清华大学深研院能源与环境材料创新团队论文

图1-2 LiPSs在TiO2、TiN和TiO2-TiN异质结构上的捕获-扩散-转化的计算与实验演示

通讯作者:杨全红教授、李宝华教授、吕伟副研究员

研究人员将孪生TiO2-TiN异质结构设计成一个紧凑而薄的夹层,附着在隔膜上,实现LiPSs的平滑捕获-扩散-转换,使得Li-S电池拥有超长寿命。实验证明这种Li-S电池具有高比容量、高倍率特性和超长循环性能。独特的异质结构设计和简单的制备技术有望推动Li-S电池的实际应用。考虑到超长的循环稳定性,这种Li-S电池在电动车辆、便携式电子设备和植入式传感器和医疗设备中展现出巨大的应用潜力。

文献链接:TwinbornTiO2-TiN heterostructures enabling smoothtrapping-diffusion-conversion of polysulfides towards ultralong lifelithium-sulfur batteries (Energy Environ. Sci., 2017,DIO:10.1039/C7EE01430A)

②Nano Energy:石墨烯和碳化钛面内异质结构抑制聚硫化物穿梭

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图1-1石墨烯和碳化钛面内异质结构合成示意图及SEM和TEM图像

通讯作者:杨全红教授、李宝华教授、吕伟副研究员

研究人员研发了一种由石墨烯和碳化钛(TiC)在隔膜上构筑的面内异质结构,直接利用石墨烯作为模板和碳源,与TiCl4反应并热处理制备。在此过程中,石墨烯部分转变成形成异质结构的TiC,有利于减少锂离子和电子扩散势垒,而且有利于LiPSs的捕获和转化。因此,将这种独特的面内异质结构作为隔膜的覆盖层应用于Li-S电池中,使得电池表现出高比容量及良好的倍率性能这种异质结构的设计不仅提供了一种提高Li-S电池实用性的有效方法,而且在催化、气体吸附和其他储能装置中的有着潜在的应用。

文献链接:An in-plane heterostructure of graphene and titanium carbidefor efficient polysulfide confinement(NanoEnergy, 2017,DOI:10.1016/j.nanoen.2017.07.012)

③ Nano Energy: 锂硫电池高倍率长寿命新途径-促进多硫化物转化

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图1-3 硫和Fe2O3纳米颗粒在石墨烯表面的转化过程示意图

通讯作者:杨全红教授、吕伟副研究员

文章报道了一种由三维分层多孔石墨烯宏观结构与均匀分布的α-Fe2O3纳米颗粒复合形成的阴极材料,其最终制成的锂硫电池具有优异的高倍率充放电性能和循环稳定性,是锂硫电池在实际应用中的一个重要发展。

文献链接:Propellingpolysulfides transformation for high-rate and long-life lithium–sulfurbatteries (Nano Energy, 2017, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.01.040)

④ Nano Energy: Li-S电池体系,H2S+SO2产生水分散的硫纳米颗粒

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图1-4 制备水分散性硫纳米颗粒WDS的原理图

通讯作者:杨全红教授

研究人员通过将气体歧化反应限制在水中,在通常产生不可控聚集体的H2S和SO2之间,开发了一种将空气污染物转化为水分散性硫纳米颗粒(WDS)的完全清洁的方法。即使在5 A的高电流密度下,水性制备的WDS /碳纳米管复合材料提供0.5A g-1的硫理论容量和750 mAh g-1相似的容量。除了正常使用硫磺作为阴极外,还设计了一种低硫含量的新概念WDS /碳中间层,以抑制多硫化物的穿梭,大大提高了Li-S电池的循环性能。

文章链接:H2S+SO2 produceswater-dispersed sulfur nanoparticles for lithium-sulfur batteries (NanoEnergy, 2017, DOI:10.1016/j.nanoen.2017.10.020) 

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锂/钠离子电池
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①Adv. Mater.: 3D网络凝胶聚合物电解液用于无枝晶锂电池

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图2-1 GPE隔膜制备及应用示意图

通讯作者:李宝华教授、杨全红教授

该工作采用无引发剂一锅开环聚合法制备3D网络凝胶聚合物电解液。该3D-GPE综合了高机械强度、柔韧性、热稳定性、高离子导电性等优点,更重要的是该电解液能够有效抑制锂枝晶生长。将3D-GPE凝胶聚合物电解液用于Li/LiFePO4电池时,表现出优越的循环性能和倍率性能,性能优于传统的液态电解液,将是下一代安全稳定的高性能锂电池的电解液候选者之一。

文献链接:Dendrite-Free,High-Rate, Long-Life Lithium Metal Batteries with a 3D Cross-Linked NetworkPolymer Electrolyte (Adv. Mater., 2017, DOI:10.1002/adma.201604460)

②Energy Environ. Sci.:醚类电解液优化高比面碳负极SEI膜助力储钠性能

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图2-2 石墨烯负极在不同电解液体系中形成的SEI膜的结构和组分对比分析

通讯作者:杨全红教授

文中制备得到的醚类电解液优化了大表面积碳的SEI膜结构,扫除了其用作钠离子电池负极材料时首次库伦效率低的实用化瓶颈。相关研究对学术界重新认识大表面碳材料用作二次电池电极材料的可行性具有重要意义,对钠离子电池及其电极材料的结构设计和产业化思路产生深远影响,对锂离子电池等其它金属离子二次电池的发展也具有指导和借鉴意义。

文章链接:Achievingsuperb sodium storage performance on carbon anodes through an ether-derivedsolid electrolyte interphase(Energy Environ. Sci.,2017,DOI: 10.1039/C6EE03367A )

③Nano Energy:一种双功能电解质添加剂支撑的高效锂离子电池

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图2-3 Li/Li2S电池电化学性能图

以往的研究表明,高能锂离子硫电池可以直接与硫化锂(Li2S)阴极和非锂阳极组装。然而,现有的锂离子硫电池经历了多步骤精细的制备工艺,高的活化电位以及对阳极的多硫化物腐蚀。本研究提出并准备了一个简单可行的Li2S基锂离子硫电池系统,这是一个双功能电解质添加剂,这种电解质添加剂不仅作为阴极氧化还原介质,降低了Li2S阴极的活化电位,而且还导致钝化层,防止阳极免受由于穿梭效应而引起的腐蚀。

文章链接:An efficient Li2S-based lithium-ionsulfur battery realized by a bifunctional electrolyte additive (NanoEnergy, 2017, DOI:10.1016/j.nanoen.2017.08.017)

④Nano Energy:锂/钠离子电池用聚离子液体基固态电解质的制备及性能研究

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图2-4 套娃结构HPILSE的原位合成路线示意图

通讯作者:康飞宇教授、李宝华教授

研究人员将三种双(三氟甲烷磺酰亚胺)基原材料进行复合,通过原位聚合制备出新型聚离子液体基层次结构固态电解质,这种不燃性固体电解质具有优异的整体性能,原位的合成方法保证了电解质和电极的紧密接触。进一步将方法应用于固态锂离子电池和钠离子电池中,成功制备得到了器件并表现出优异性能。

文章链接:In situ synthesis of hierarchical poly(ionicliquid)-based solid electrolytes for high-safety lithium-ion and sodium-ionbatteries (Nano Energy, 2017, DOI:10.1016/j.nanoen.2017.01.027) 

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锂-空气电池
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 ①Nano Energy:一种由Li2O2正极、铝负极和nafion膜组成高性能锂离子氧电池

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图3-1 nafion膜保护锂与氧反应

通讯作者:杨全红教授、Jang-Kyo Kim教授

锂空气电池(LOB)由于具有非常高的比能量而备受关注。本研究合成长寿锂空气电池,由市售的Li2O2和预锂化铝箔制成正负极,装配好的LIOB具有优异的电化学性能。预锂化铝箔兼作负极和集流体,在预锂化过程中在负极上形成稳定的固体电解质中间层,显著提高了循环稳定性。鉴于正负极材料的丰富性和可用性,文章中开发的组装方式是今后用于实际应用的大规模制造锂空气电池的有效途径。

文章链接:A high-performance lithium ion oxygen batteryconsisting of Li2O2 cathode and lithiated aluminum anodewith nafion membrane for reduced O2 crossover (NanoEnergy,2017,DOI:10.1016/j.nanoen.2017.08.029) 

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超级电容器
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 ① Nano Energy:具有良好的双电子-离子电导率赝电容填充使得高密度石墨烯微粒具有较高容量电容

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图4-1碳基复合材料的高体积性能设计原则

通讯作者:杨全红教授、罗加严教授

体积性能对评估超级电容器的潜力非常重要,特别是对于电极空间有限的情况。为了实现高空间利用率,包含的孔道越少越好。本研究提出了无孔碳基复合材料的设计原则,以实现高体积性能,其中选择了良好的双电子离子导体作为最佳的赝电容填料。PANI/石墨烯固体复合材料同时实现了电极体积的空间利用最大化并实现了无阻碍的离子传输,PANI是一种双电子-离子导电聚合物,不仅作为高能储存的赝电容活性材料,而且作为实现质子的质子导体从电极/电解质界面转移到致密微粒的内部。这项工作激发了新的见解,更好地设计和制备紧凑型储能设备的复合电极。

文章链接:Dualelectronic-ionic conductivity of pseudo-capacitive filler enables highvolumetric capacitance from dense graphene micro-particles(Nano Energy,2017, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.04.054)

② NanoEnergy: 基于混合碳膜电极的柔性耐高温超级电容器

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图4-2 柔性材料的合成与电容器的组装示意图

通讯作者:康飞宇教授、朱宏伟教授、杨诚副教授

柔性超级电容器近年来发展迅速,为可穿戴电子产品的发展作出了贡献,但由于电极材料和电解质的限制,柔性超级电容器的操作温度通常落在狭窄的范围内。本研究报道了一种可在极端温度(低至-40 ℃和高达200 ℃)下运行的柔性超级电容器,具有优异的电化学性能和高耐用性。该器件允许最大面积比电容为330 mF/cm,它具有2 F/cm的体积比电容和1.7mWh/cm的能量密度。该超级电容器的高稳定性能够在105次循环后实现90%的电容保持率。而且,极端温度下的变形不会降低其储能能力。

文章链接:Flexible, temperature-tolerant supercapacitor basedon hybrid carbon film electrodes (NanoEnergy, 2017, DOI:10.1016/j.nanoen.2017.08.026)

③Energy & Environmental Science:还原氧化石墨烯/多价态氧化锰复合物制备高性能可剪裁及贴片式超级电容器

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图4-3 还原氧化石墨烯/多价态氧化锰(rGO/MnOx)复合物的制备过程

通讯作者:杨诚副教授

研究者王洋博士等利用液相法合成了二维石墨烯/二氧化锰复合物,通过肼蒸汽还原,一步实现了氧化石墨烯的还原和多价态锰氧化物的生成,制备了rGO/MnOx复合物。这种材料可适用于传统电极浆料涂布工艺,实现电极浆料的大载量印刷涂布。其高效的自由电子及离子的传输网络、多种价态锰氧化物材料中丰富的电子及离子缺陷、多价态氧化锰和石墨烯的协同作用等极大地优化了材料的电容特性,最终组装得到的超级电容器性能如下:质量比电容为202 F g-1(载量为2 mg cm-2);面积比电容达2.5 F g-1(载量为19 mg cm-2);在循环115000圈后容量保有率为最初值的106%。

文献链接:Reduced Graphene Oxide/Mixed-valent Manganese OxidesComposite Electrode for Tailorable and Surface Mountable Supercapacitors withHigh Capacitance and Super-Long Life (Energy &Environmental Science, 2017, DOI: 10.1039/C6EE03773A)

④Nano Energy:高性能柔性超级电容器的制备——多层次电极结构设计

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图4-4 具有多层次结构的柔性电极的制备流程

通讯作者:康飞宇教授、徐成俊副研究员

研究者设计了一种具有多层次结构的柔性电极,使得电化学物质在高含量情况下仍能够相对均匀地分布在整个电极中,因而电极的面积比能量得到大幅提高,制备的电极展现出良好的柔性,显著提高了柔性超级电容器电极的储能密度。作者认为,该研究思路有望被借鉴于多种柔性电极的制备上,以实现高含量活性物质在电极中的优化分布和整个电极/器件电化学性能的改善。

文献链接:Multi Hierarchical Construction-induced SuperiorCapacitive Performances of Flexible Electrodes for Wearable Energy Storage (Nano Energy,2017, DOI: 10.1016/j.nanoen.2017.02.031) 

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其他
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 ① Adv. Mater.:石墨烯前体促进石墨烯/h-BN垂直异质结构快速生长及其在OLEDs中的应用

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图5-1Gr / h-BN / Cu箔的两步CVD生长途径的示意图及相关分析

通讯作者:刘忠范院士、张艳锋研究员、邹小龙研究员

研究者开发了一种金属原子促进的两步CVD路线,通过选择二茂镍作为石墨烯前体来实现垂直堆叠的Gr/h-BN异质结构的生长,其显示出较快的合成效率(8-10倍快)和较高的石墨烯的结晶质量(大单晶域高达≈20 μm)。其优点是利用从镍离子分子中分解的镍原子作为气态催化剂,根据密度泛函理论计算,可以降低石墨烯生长的能量势垒,促进碳源的分解。这项工作为Gr/h-BN异质结构快速生长提供了一条全新的路线,具有实用的可扩展性,高效率和高结晶质量,因此应会推动其在透明电极,高性能电子器件,和能量收集/过渡方向的发展。

文献链接:Nickelocene-Precursor-Facilitated Fast Growth ofGraphene/h-BN Vertical Heterostructures and Its Applications in OLEDs(Adv.Mater., 2017, DOI:10.1002/adma.201701325)

② ACS Nano:低温易熔银微米/纳米树脂基导电复合材料用于新一代引线印刷

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图5-2fuselink和基于ECC熔断体的示意图

通讯作者:杨诚副教授

研究人员开发出了一类独特的三维辐射状分形枝晶银粉材料,利用其纤细的边缘结构,成功实现其在超高精度激光银浆布线技术方面的应用(Fractal Dendrite-based Electrically Conductive Compositesfor Laser-scribed Flexible Circuits,Nature Communications, 2015, 6, 8150)。由于该银粉结构具有独特的辐射状层次结构,因此在不同的温度区间,可分别实现三级结构、二级结构甚至一级结构的融缩塌陷,从而可以有效地在特定温度范围快速切断整个导电网络。

文献链接:Low-Temperature Fusible Silver Micro/Nano-Dendrites-BasedElectrically Conductive Composites for Next-Generation Printed Fuse-Links(ACS Nano, 2017, DOI: 10.1021/acsnano.7b00935)

③ Nano Research:高性能的磁性共轭聚合物核壳纳米粒子的综合合成

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图5-3多模式成像引导的超高温Fe3O4@PEDOT

通讯作者:康飞宇教授、孙晓丹副研究员

本研究开发了一种不含额外表面活性剂和氧化剂的原位表面聚合方法来合成具有均衡、突出的磁光性质的MNP @聚吡咯(PPy)NPs。通过该方法可以调控MNP @ PPy纳米粒子的大小、形状、控制壳厚度,此外,该方法可进一步扩展到合成MNP @聚苯胺和MNP @聚(3,4-亚乙基二氧噻吩):聚(4-苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)等MNP共轭聚合物核壳纳米粒子。该工作有利于扩大MNP共轭聚合物核壳纳米粒子在生物医学领域的应用。

文章链接:General synthesis of high-performing magneto-conjugatedpolymer core-shell nanoparticles for multifunctional theranostics (NanoResearch, 2017, DOI: 10.1007/s12274-016-1330-4)

④ Adv. Funct. Mater.: 利用生物质器官控制裂解碳的孔隙度

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图5-4莲藕叶片碳化得到的多孔碳的性能图

通讯作者:杨全红教授、罗加严教授

研究表明:具有大表面积的碳材料,可以不引入额外活化剂,直接通过一些生物质材料的一步碳化法来得到。本文的研究表明植物器官的生理功能在形成的碳纳米材料的微观结构和孔隙度的重要性。莲藕热解的多孔碳作为超级电容器电极时,在6 M KOH水溶液电解质中,当扫描速率为5 mV s-1时,表现出174 F g-1的比电容,将扫描速率提升500 mV s-1时,仍有72%的电容保持率,且在10000次循环过程中具有的良好稳定性。

文章链接:Biomass Organs Control the Porosity of Their PyrolyzedCarbon(Advanced Functional Materials, 2017, 10.1002/adfm.201604687)

盘点2017年清华大学深研院能源与环境材料创新团队论文

以上即为清华深研院在2017年带给我们的丰富“科研盛宴”,从占据了大半壁江山的储能领域来看,主要包括锂/钠离子电池、锂-硫电池、锂-氧电池以及超级电容器几大热门储能器件,从锂/钠离子电池方面来看,深研院的高影响因子文章主要集中于解决应用于电池中的电解质问题,一方面通过拓展电解质的种类提升电解质的电化学性能,另一方面通过电解质添加剂的加入来优化器件,最终达到器件趋于安全化的终极目标;从锂-硫电池来看,多硫化物的抑制和转化显然成为提升性能的关键,异质结构的设计显然能够为锂-硫电池的进一步性能优化提供有效的帮助,不愧为一种行之有效的方法,而形成异质结构的方法还能在今后的研究中得到进一步的拓展和创新;从锂-氧电池方面来看,极具潜力的高比容量是推动其进一步发展的根本,而电池组装过程中的稳定性、安全性也将成为相关问题解决的关键;从超级电容器方面来看,在电极材料已经得到了长足发展的当下,器件的功能化、便携性和实用性都需要得到进一步的发展,柔性、贴片式以及极端温度条件下的器件都更加受到广泛的关注,小编也相信随着以上各大储能器件的不断发展,储能器件的进一步的功能化和结构设计将会成为研究者下一阶段主要探究的方向。

本文数据通过Web of Science检索获得,由于数据库更新滞后2月左右,加之小编能力有限,统计数据必与真实情况有所出入,您可以通过文末留言添加未收录的文章,我们会在网页端(www.sztspi.com)修改添加。

最后,小编要为科研工作者这一年来的辛勤工作点赞,相信大家也能从中学到不少知识,也预祝清华深研院在2018年能够带给我们更多的精彩,祝各位老师们、同学们在2018年里也能多发好文章!

供   稿丨深圳市清新电源研究院

部   门丨媒体信息中心科技情报部

撰稿人丨夏悦博士

排版人 | 飞雪流萤

主    编丨张哲旭

本文由清新电源原创,作者清新能源媒体信息中心夏悦博士供稿,转载请申请并注明出处:http://www.sztspi.com/archives/2576.html

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