进展汇总 | 锂离子电池、燃料电池和太阳能电池

1.PEM燃料电池循环诱导衰减过程中电化学变化和结构变化的相关性

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在低温质子交换膜(PEM)燃料电池商业化的道路上，燃料电池的持久性和成本是两个主要挑战，其中降低膜电极组件(MEA)中的贵金属含量能够直接提高电池的成本效益，但也会影响电池的性能和长期稳定性。在工作过程中，由于负荷循环铂催化剂的电化学活性表面积(ECSA)会损失，负载循环引起电极电位的变化会导致铂的溶解和粒子的长大，也因此降低了燃料电池的性能。在氢/空气气氛下进行电压循环的过程中膜电极组件会发生分解，本工作用各种电化学表征技术测量了组件分解对燃料电池性能的影响。在低电流密度下电化学活性表面积的损失与动态电压损失相关；在高电流密度下与氧迁移限制的损耗有关，并且研究发现氧的传输电阻与归一化的表面积成反比。该工作进一步用电子显微镜观察了由于电压循环引起的催化剂层结构和性质的变化，提出了一种用透射电镜计算衰减样品铂含量变化的新方法。

原文链接：Correlation of Changes in Electrochemical and Structural Parameters due to Voltage Cycling Induced Degradation in PEM Fuel Cells.( Journal of The Electrochemical Society, 2018, DOI: 10.1149/2.0271806jes)

http://jes.ecsdl.org/content/165/6/F3241.short?rss=1

2.通过超薄等离子体聚合物的包覆用于提升钙钛矿型太阳电池的防潮抗湿能力

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杂化有机−无机金属卤化物钙钛矿太阳电池的功率转换效率和长期稳定性是处于折衷地位的，同样地这也是其应用于户外光伏和成功商业化的必要条件。本工作提出了一种利用超薄等离子体聚合物封装钙钛矿太阳电池用以提高其在暴露水中和潮湿条件下稳定性的方法，并在室温下通过远程等离子体真空沉积金刚烷粉进行了聚合物的沉积。这种封装方法不影响被测器件的光伏性能而且能与任何化学成分和器件结构都兼容。在相对湿度(RH)为35−60%的环境条件下放置30天后，封装的钙钛矿薄膜的吸光度几乎保持不变；当空气非常潮湿时(RH>85%)，封装器件光伏性能的快速衰减也明显滞后；其中更重要的是，封装的太阳能器件浸泡在液态水中时，器件光伏性能的下降也明显滞后，光伏性能至少在前60秒内没有受到影响。而且本工作已经有可能测量在水中运行的封装器件的功率转换效率，该方法也为开发稳定的光伏和光催化钙钛矿器件开辟了一条新的方向。

原文链接：Enhancing Moisture and Water Resistance in Perovskite Solar Cells
by Encapsulation with Ultrathin Plasma Polymers.( ACS Appl. Mater. Interfaces, 2018, DOI: 10.1021/acsami.7b17824)

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.7b17824

3. Na_1.25Ni_1.25Fe_1.75(PO₄)₃纳米粒子作为锂离子电池的双电极材料

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磷酸铁基材料作为锂离子和钠离子电池的正极材料已经得到了广泛的研究，目前作为负极材料的应用也越来越受到人们的关注，虽然它们主要是由固相法合成但是各种合成技术的探索表明，湿化学法制备的粉体形貌较小，粒度较小。其中纳米粒子在催化剂、医药、化学传感器、能量转换、储能系统等许多领域得到了广泛的应用，通过简单的优化合成条件可以得到性能优良的纳米材料，减小颗粒尺寸是提高纳米材料性能的主要策略之一，纳米粒子由于其高比表面积在提高电化学性能方面有独特的作用，因此也可应用于储能材料的。本工作采用溶剂热法制备了一种用于锂离子电池的新型电极材料——Na_1.25Ni_1.25Fe_1.75(PO₄)₃纳米颗粒，该材料的主要优点是其具有双电化学性能(正负电极)且电化学性能高，原料资源丰富，成本低，环境相容性好，热稳定性好，安全性高，理论比容量较高。通过表征和测试得到了结构式□_0.75 Na_1.25Ni_1.25Fe_1.75(PO₄)₃，表明材料结构中有大量的Na空位，从而提高的了Li离子的扩散能力。Na_1.25Ni_1.25Fe_1.75(PO₄)₃同时作为负极和正极材料表现出优异的电化学性能，在0.03-3.5 V的电压范围内，首次放电的电流密度为40 mA/g时比容量可达1186 mAh/g，几乎是理论容量(428 mAh/g)的3倍；当电流密度为50 mA/g时，循环测试350圈可逆电容为550 mAh/g。作为正极材料时，在1.5~4.5 V的范围内比电容可达145 mAh/g和99 mAh/g（电流密度分别为5 mA/g和50 mA/g）。另外，本工作证实通过溶剂热法合成有助于合成小颗粒电极材料，从而有利于获得更优异的电化学性能。

原文链接：Na_1.25Ni_1.25Fe_1.75(PO₄)₃ nanoparticles as a janus electrode material for Liion batteries.( Journal of Power Sources, 2018, DOI:https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2018.03.069)

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775318303148

4.表面保护的LiCoO₂超薄固体氧化物电解质膜应用于锂离子电池和锂聚合物电池

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锂离子电池具有高容量能量密度和长寿命的特点并且推动了便携式电子设备的革命，虽然锂离子电池能够满足许多电子产品的需求，但5G移动终端等新应用则需要更高的能量和功率密度的电极材料。其中，LiCoO₂材料最初由Goodenough教授首次发现并且以其体积能量密度高、倍率性能好、循环稳定性好等优点在商用用锂离子电池正极材料中占据主导地位。然而，对于使用非水液体电解质的电池来说，阴极和电解质之间的副反应会导致结构和电化学稳定性迅速恶化，LiCoO₂电极材料则表现为过渡金属离子(Co³⁺)的溶解和放电容量的急剧衰减。因此，提高LiCoO₂电极材料结构和电化学稳定性的关键在于抑制LiCoO2表面强烈的氧化性能。本工作通过溶液法和低温热处理法制备了一种高性能LiCoO₂包覆Li_1.4Al_0.4Ti_1.6(PO₄)₃（LATP）的连续致密超薄薄膜，并对LiCoO₂修饰改性的LATP表面性能进行了表征，对其在半电池中的循环性能进行了测试。透射电子显微镜（TEM）图像表明，涂层表面覆盖的LiCoO₂均匀小于20 nm，证明其可以防止阴极和电解质之间的直接接触，从而有效抑制液体电解质与LiCoO₂在高充电电压下的表面副反应。XPS测试表明在长时间循环过程中，CO³⁺的溶解已经很大程度上被抑制，由于这种表面钝化特性，在以聚环氧乙烷为基的全固体锂电池中对0.5 wt%修饰改性的LiCoO₂的电化学性能进行了测试，在充电断电电压为4.2V时电池的初始放电容量保持了93%，结果表明，LiCoO₂修饰改性的LATP涂层能有效地抑制PEO在高压下的氧化。

原文链接：Surface-protected LiCoO₂ with ultrathin solid oxide electrolyte film for highvoltage lithium ion batteries and lithium polymer batteries.( Journal of Power Sources, 2018, DOI: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2018.03.076)

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0378775318303276

5. 含LiF添加剂的5V LiCoMnO₄尖晶石的热稳定性

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为了满足未来能源技术的要求如在电移动领域，锂离子电池需要更高的能量密度，以含镍、钴或铁取代锰的LiMn₂O₄尖晶石为基础的尖晶石阴极材料由于其高的氧化还原电位和能量密度而受到关注。然而，电化学实验表明阴极材料存在容量低、循环稳定性差和电池衰减快等问题。为了提高其循环稳定性和可逆性容量，通常有效地措施是在单位材料中加入0.1 mol氟用于氟化。然而高温条件下选用LiF进行氟化作用仍然是有争议的，使用LiF作为烧结添加剂有助于保持在较低的加工温度下实现高密度材料的制备。在本研究中，研究者们系统地研究了以1 wt.-%LiF为添加剂的加热过程中的稳定性，采用电感耦合等离子体发射光谱测试700、800、900和1000°C热处理样品分析得到了的阳离子含量，惰性气体熔合氧和氟含量的核反应，结果表明样品的化学成分除氧以外保持不变。通过监测LiCoMnO₄在添加氟和不加氟的情况下从室温至950℃的热分解过程，进一步研究了加热和冷却过程中相变过程。对于添加LiF的样品，LiCoMnO₄的分解产物Li₂MnO₃的形成是由于LiF的过量加入而加速产生的，即尖晶石相的稳定性由于锂的供应而降低。由于Li₂MnO₃的生成消耗了锂，并且氟仍然存在于样品中，研究者们还提出氟阴离子在LiF和LiCoMnO4的共同加热过程中会与尖晶石或Li₂MnO₃相结合。