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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

——編語

鉀離子電池

西安理工大學李喜飛、秦戩團隊報道了一種新型鉀離子電池負極材料。該材料由含Se空位缺陷的CoSe₂和FeSe₂兩相組成。二者互相接觸，形成豐富的異質(zhì)結(jié)。電極顆粒表面覆蓋有碳層。這種結(jié)構(gòu)與組分帶給電極性能的“正能量”包括：

1）異質(zhì)結(jié)形成相間電場，提升電極導(dǎo)電性，加速離子在兩相間的傳遞；

2）空位缺陷增強電極對K⁺吸附，增加電極活性位點數(shù)量；

3）表面碳層加固電極材料結(jié)構(gòu)，延長電極使用壽命。

CoSe₂-FeSe₂@C電極在100 mA/g和2 A/g的電流密度下的電容量分別為401 mAh/g與275 mAh/g。理論計算證明了CoSe₂/FeSe₂異質(zhì)結(jié)對鉀離子在電極內(nèi)部傳輸?shù)拇龠M效果。

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封面展示的是碳包覆CoSe₂/FeSe₂異質(zhì)結(jié)區(qū)域。近處放大圖中可見上、下層CoSe₂晶體結(jié)構(gòu)與中層FeSe₂晶體結(jié)構(gòu)，兩相間形成異質(zhì)結(jié)。每塊 “金字塔”塔尖上的黑色區(qū)域應(yīng)為碳層。所有金字塔被石墨烯大網(wǎng)包覆，代表電極顆粒表面的碳包覆，有穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的作用。

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水系鋅離子電池

德國烏爾姆亥姆霍茲研究所（Helmholtz Institute Ulm）Stefano Passerini、Alberto Varzi團隊闡明了α-Mn₂O₃的儲Zn²⁺機理。由于α-Mn₂O₃不具備允許Zn²⁺嵌插的孔道或?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)，因而一直被認為無法作為水系鋅離子電池的電極材料。

作者們發(fā)現(xiàn)，雖然α-Mn₂O₃自身不是理想的鋅離子電池電極材料，但它在Zn²⁺和正電壓共同作用下能轉(zhuǎn)變?yōu)長-Zn_xMnO₂。L-Zn_xMnO₂具有層狀結(jié)構(gòu)，可儲存Zn²⁺。

基于以上信息，作者們合成了具有多級結(jié)構(gòu)的介孔α-Mn₂O₃納米棒陣列，將其用于水系鋅離子電池的正極。電化學測試顯示該材料在5.0 A/g電流密度下的電容量可達103 mAh/g；充放電（2.0 A/g）循環(huán)2000次后容量保持率高于80%，證實了α-Mn₂O₃可作為鋅離子電池的電極材料。

封面主體展示了以α-Mn₂O₃為正極（上端），金屬Zn為負極（下端）的鋅離子電池。電池浸泡在水中，代表了水溶劑，象征水系鋅離子電池。

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鋰離子電池

鋰離子電池在使用之初需在電極-電解液界面形成含Li界面，因而需要消耗一部分Li元素。這部分Li元素的消耗會減少電池的總?cè)萘?。近年來發(fā)展的預(yù)鋰化（prelithiation）技術(shù)通過在電池使用前額外添加活性Li，補償了電池在運行前的消耗。華中科技大學孫永明課題組總結(jié)了各種預(yù)鋰化技術(shù)要達到的目標以及今后發(fā)展需克服的挑戰(zhàn)。綜述基本結(jié)構(gòu)如下：

一、預(yù)鋰化過程涉及的材料、關(guān)鍵參數(shù)與過程

二、預(yù)鋰化方法與典型例子

三、預(yù)鋰化電極材料的化學與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

四、預(yù)鋰化的安全風險

五、預(yù)鋰化產(chǎn)生的雜質(zhì)與副反應(yīng)

六、預(yù)鋰化對電化學性能的影響

七、預(yù)鋰化過程的大規(guī)模性及其與現(xiàn)有生產(chǎn)的兼容性

八、展望：此部分總結(jié)了全文的主要內(nèi)容，并指出了預(yù)鋰化過程未來發(fā)展的幾點方向：

1、更深入地認識預(yù)鋰化對于電極整體性能的影響

2、考慮并規(guī)避預(yù)鋰化過程帶來的安全風險

3、研發(fā)能直接將預(yù)鋰化技術(shù)整合到現(xiàn)行鋰離子電池生產(chǎn)流程中的途徑

Li液滴正滴入下方橫放的電池里，象征了預(yù)鋰化技術(shù)向電池中人為引入過量活性Li的過程。背景中的各種晶體結(jié)構(gòu)代表鋰離子電池的電極材料。

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熱電材料

南方科技大學何佳清團隊聯(lián)合昆明理工大學馮晶、于曉華、葛振華團隊報道了一種改性Bi₂S₃熱電材料的方法。Bi₂S₃塞貝克系數(shù)高、熱導(dǎo)率低，但導(dǎo)電性差是制約其熱電性能的瓶頸。

作者們通過將Bi₂S₃與氫鹵酸混合水熱反應(yīng)，成功制備了F、Cl、Br摻雜的Bi₂S₃。其中氯摻雜Bi₂S₃（Bi₂S_2.96Cl_0.04）的電子濃度較原始Bi₂S₃提升了約兩倍。密度泛函理論計算發(fā)現(xiàn)摻雜的Cl能形成電子離域通道，增加自由電子濃度，從而提升導(dǎo)電性。

實測Bi₂S_2.96Cl_0.04的熱電品質(zhì)因子zT在673 K時達到~0.8，是目前所有報道的基于B_i2S₃熱電材料的最高值。

在水中，F(xiàn)^–、Cl^–、Br^–離子正朝著紅色Bi₂S₃納米棒移動，代表了水熱反應(yīng)使鹵離子摻雜Bi₂S₃的過程。放大圖中可見Bi₂S₃的晶體結(jié)構(gòu)與摻入其中的鹵素。Bi₂S₃納米棒表面散發(fā)出的閃電可能指示熱電轉(zhuǎn)換的應(yīng)用。

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