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解說頭版文章

品味智慧之光

縱使攬勝四方

我自封面大賞

——編者

6月第1期《封面大賞》專欄收錄2021年6月第1周Advanced材料科學(xué)類頂刊上發(fā)表的關(guān)于能源轉(zhuǎn)化與存儲的封面文章。

離子電池正極材料

美得很依舊！那些登上了Advanced系列雜志封面的優(yōu)秀論文（6月第1期）

濟(jì)南大學(xué)原長洲教授課題組報(bào)道了一種碳包覆、Mo摻雜的Na₃V₂(PO₄)₃納米線電池正極材料。該材料通過靜電紡絲與高溫炭化兩步制備，具有由Na₃V₂(PO₄)₃納米顆粒構(gòu)成的一維納米線結(jié)構(gòu)。得益于Mo摻雜、一維結(jié)構(gòu)及碳包覆特點(diǎn)，該電極材料具有電子傳導(dǎo)快、離子擴(kuò)散容易、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定三大優(yōu)點(diǎn)，因而無論是在低溫-25 °C下還是較高溫55 °C下均展示出優(yōu)異的電化學(xué)性能。利用該Na₃V₂(PO₄)₃與合適的電極制成的軟包鈉離子電池或軟包鋰/鈉離子混合電池在25 °C下的能量密度分別達(dá)到262.4 Wh/kg與186.1 Wh/kg。另外，作者們還探究了電極材料的儲能機(jī)理，發(fā)現(xiàn)在含Li⁺電解液中工作時(shí)，Li⁺可部分取代電極中的Na⁺并參與嵌入-脫出過程。

封面上方冰天雪地，下方烈焰熊熊，象征了低溫與高溫的運(yùn)行環(huán)境。而圈在泡泡里的Na₃V₂(PO₄)₃材料行游兩方、毫發(fā)無損，突出了材料耐溫性能絕佳的特點(diǎn)。

電池機(jī)理研究

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美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室（Oak Ridge National Laboratory）研究團(tuán)隊(duì)利用現(xiàn)場原位（operando）小角中子衍射、電化學(xué)阻抗、X射線光電子能譜（XPS）三種主要技術(shù)探究了LiFSI（溶質(zhì)）-EMImFSI（溶劑）離子液體在碳電極上固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI）的形成過程。測試電壓范圍為1.7 V – 1.9 V，碳材料為規(guī)整介孔碳。規(guī)整介孔碳雖沒有應(yīng)用于商業(yè)化電池中，但其高比表面積有利于生成大量SEI，便于檢測。開路電壓下，EMIm⁺與負(fù)極金屬鋰反應(yīng)生成卡賓（碳烯化合物），并與碳正極表面附近的FSI^–反應(yīng)生成富含LiF的SEI。當(dāng)碳電極電壓接近2 V時(shí)，F(xiàn)SI^–還能自發(fā)發(fā)生還原反應(yīng)生成含LiF的SEI。這兩個(gè)過程形成的SEI附著于碳表面，保護(hù)碳正極免受EMIm⁺嵌入、脫嵌的影響。此外，中子衍射實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)Li₂O、Li₃N、Li₂S₂O₄、Li₂SO₃、Li₂S、EMIm⁺含碳還原產(chǎn)物等也可能存在于碳表面的保護(hù)層中。

電解液的海洋里漂浮著一片規(guī)整介孔碳網(wǎng)絡(luò)，周圍散布著EMIm⁺和FSI^–的分子模型。一道閃電劃過碳表面，伴隨著電子注入，碳表面附著上了一團(tuán)團(tuán)晶瑩的LiF晶體。這些LiF從何而來呢？原來是被電流還原的FSI^–陰離子。該封面可謂是對整篇工作成果的藝術(shù)注解。

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