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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

鋰金屬電池

無限遐想！Advanced系列能源轉(zhuǎn)換與存儲類封面大賞（7月第4期）

韓國高麗大學（Korea University）Seung-Ho Yu教授與Ji Hyun Um博士綜述了原位或工況表征鋰金屬枝晶生長過程的實驗技術(shù)。了解鋰枝晶生長原理是理性提升鋰金屬負極穩(wěn)定性的重要參考。較傳統(tǒng)表征方法，原位或工況表征更貼近鋰金屬負極的實際工作條件，能觀察到鋰枝晶生長的動態(tài)過程，因而獲取更真實的結(jié)果。文章首先歸納了鋰枝晶生長機理與模型，后基于觀察鋰金屬沉積與溶解兩類過程，總結(jié)了利用光、電子、X射線、中子、磁性的表征技術(shù)的最新進展。作者們在文末指出了原位與工況表征技術(shù)當下面臨的難點，包括：

1）表征所用容器與實際電池結(jié)構(gòu)有差別。這種差別可能導致電化學性能差異

2）表征使用的電解液體積僅有納微升數(shù)量級，只能潤濕被觀察電極的表面，比電池中電極的被浸潤程度小

3）微電極間距離比實際電池兩電極間距離短

以上這些因素使得表征條件偏離鋰金屬電極的實際工作環(huán)境，因而影響表征結(jié)果的可靠性。因此，作者們提出原位或工況表征應(yīng)與傳統(tǒng)非原位表征相輔相成，而非二元對立。

在一個鋰金屬電極的轉(zhuǎn)盤上放置著鋰枝晶生長程度不同的電極。鏡頭、探針等“長槍短炮”正對著一塊鋰枝晶觀察。順著這塊鋰枝晶向左上方可以看到一個鋰金屬電池立在轉(zhuǎn)盤中央，可見轉(zhuǎn)盤對應(yīng)了鋰金屬電池不同荷電狀態(tài)，而鋰枝晶形貌也相應(yīng)出現(xiàn)不同生長程度。封面整體構(gòu)圖體現(xiàn)了原位或工況表征的綜述要點。

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雙氧水的催化合成

韓國高麗大學Kwan-Young Lee教授及同事綜述了H₂O₂的催化合成進展。H₂O₂作為一種氧化劑，在廢水處理、化學品合成、殺菌消毒、半導體刻蝕、紙張漂白等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)合成H₂O₂的蒽醌氧化法雖能大規(guī)模制備H₂O₂，但同時會產(chǎn)生大量有機溶劑，污染環(huán)境。

得益于納米材料表面組分調(diào)控的合成方法及密度泛函理論計算的發(fā)展，能將H₂和O₂直接轉(zhuǎn)化為H₂O₂的催化劑于近年來不斷涌現(xiàn)。本文收錄了這些催化劑的合成方法與性能，要點如下：

1、直接合成H₂O₂的催化機理匯總（第二部分）；

2、單金屬鈀催化劑（第三部分）；

3、基于金屬鈀的雙金屬催化劑（第四部分）

4、不含鈀的雙金屬催化劑（第五部分）

5、催化劑負載基底對催化性能的促進作用（第六部分）

6、光催化、電催化、膜催化合成H₂O₂的技術(shù)進展（第七部分）

每部分都包括理論計算進展與實驗成果，體現(xiàn)了理論與實踐相互配合的和諧之道。

畫面中心表現(xiàn)了H₂和O₂氣體經(jīng)催化劑表面化合為H₂O₂的過程。四周環(huán)繞著六種不同晶型催化劑，突出綜述主題。此外，細心觀察可以看到中心催化劑置于一塊電路板芯片上，加之背景中的電路應(yīng)該體現(xiàn)了理論計算對于催化劑研發(fā)的有力支持。

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超級電容器綜述

韓國高麗大學Woong Kim教授和Jinwoo Park博士綜述了用于交流濾波的超級電容器的研究進展。交流濾波器是一種濾除交流輸電系統(tǒng)中由直流控制系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波的器件。鋁電解電容器是其主要組成部件之一。但這種電容器雖能快速充放電，但電容有限。因此，同樣具備快充能力、電容較大的超級電容器成為鋁電解電容器的可能替代品。超級電容器的高電容有利于減小濾波器體積，便于電子器件微型化。

全文從電極材料、電解液材料、器件構(gòu)造三方面入手，全面介紹了用于交流濾波的超級電容器研究進展。其中電極材料包括碳電極、過渡金屬氧化物電極、聚合物電極等，電解液材料包括水系、非水系、凝膠類電解液，器件構(gòu)造包括單器件與多器件。作者在每部分結(jié)尾處均展望了相關(guān)發(fā)展方向。制得一提的是，文章結(jié)尾部分作者們提出雙連續(xù)相結(jié)構(gòu)是今后超級電容器快充、高能性能的突破口之一。

封面展示了雙連續(xù)相中的離子快速遷移過程。藍色為電解液，銀白色為電極。雙連續(xù)相減少了電解液中離子到達電極表面的擴散距離，因而提升超級電容器的功率密度。高功率密度是超級電容器用于交流濾波的核心性能。

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柔性電極綜述

韓國高麗大學Jinhan Cho教授、美國佐治亞理工（Georgia Tech）Seung Woo Lee教授及合作者們綜述了能源收集、轉(zhuǎn)化與存儲應(yīng)用中構(gòu)筑電極活性材料與基底界面的策略。活性材料與基底（或集流體）間的電荷傳遞（charge transfer）是決定電化學器件性能的關(guān)鍵因素之一。本綜述聚焦以顆粒物為活性材料的電極，著重介紹了提升顆粒物界面附著力、改善界面電荷傳遞動力學的合成方法和修飾策略。此外，文章還涉及將顆粒物電極整合到柔性器件中的方法實例。

全文涉及的能源器件包括摩擦納米發(fā)電機、壓電納米發(fā)電機、生物燃料電池、鋰離子電容器、超級電容器，包羅萬象。

兩塊顆粒電極相互碰撞，迸出液體，直觀體現(xiàn)了“界面”這一綜述的核心。左右兩片電極中的顆粒表面附著有“綠茸”或“藍毛”，這些都是為提升界面電荷傳遞效率的表面修飾層。液體可能對應(yīng)電解液或兩電極間的電解液，也可能是為了強調(diào)界面所繪。

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鋰硫電池

捷克帕拉茨基大學（Palacky University）研究團隊報道了一種鋰硫電池的硫/石墨烯復合正極材料。該材料通過多硫化鈉與氟代石墨烯發(fā)生的取代反應(yīng)，將硫鏈以共價鍵結(jié)合在石墨烯層間制備而成。

這種材料有兩大優(yōu)點。其一是硫載量高，達80 wt.%。其二是共價鍵強力結(jié)合使得小電流密度下多硫化物的穿梭效應(yīng)被極大抑制，提升了電池壽命。0.1 C電流密度下，100次充放電循環(huán)后的電容量為~700 mAh/g；0.2 C電流密度下，250次充放電循環(huán)后的電容量為~644 mAh/g，500次循環(huán)后電容量保持在~470 mAh/g。

兩片石墨烯“墻壁”之間懸掛著數(shù)條硫鏈。這些硫因為被“墻壁”牢牢固定，雖能與嵌入的Li⁺反應(yīng)但無法隨之而去，表現(xiàn)了多硫化鋰穿梭效應(yīng)被抑制的亮點。遠處兩塊電池代表鋰硫電池。

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贗電容電容器

澳大利亞新南威爾士大學（UNSW）Samane Maroufi 博士及其同事報道了一種化學成分為Mn_1?x?y(Ce_xLa_y)O_2?δ的贗電容材料。這種材料以廢舊鎳氫電池的浸取液為原料，采用恒電流法電鍍而得，形貌為無規(guī)取向的納米片。控制電鍍時間可調(diào)控電極材料的膜厚（5-627 nm）和透明度（29-100%）。86%透明度的電極的最大實測面積比電容為3.4 mF/cm²。16000次充放電后電容保持率90%。采用柔性基底作為電鍍基底可制成柔性贗電容電容器電極，其電容在被彎曲45-180度時均無明顯降低。

這種材料的贗電容反應(yīng)過程為O^2-陰離子進入或脫出Mn_1?x?y(Ce_xLa_y)O_2?δ孔道，使Ce、La、Mn陽離子的價態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變。

右上方模型展示Mn_1?x?y(Ce_xLa_y)O_2?δ的晶體結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)中可見離子正進入孔道中，這是Mn_1?x?y(Ce_xLa_y)O_2?δ贗電容儲能的核心過程。左側(cè)放置了數(shù)片透明度不同的柔性電極，體現(xiàn)了柔性、透明贗電容電極的論文主題。背景的剔透之感無不強調(diào)了透明的亮點。

掃碼呈現(xiàn)原文摘要

原創(chuàng)文章，作者：科研小搬磚，如若轉(zhuǎn)載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2023/10/31/0c8cdc3d13/

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