智慧之光！Advanced系列能源转换与存储类封面大赏（8月第3期）

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纵使揽胜四方

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——编语

锂-二氧化碳电池

澳大利亚新南威尔士大学（University of New South Wales）戴黎明教授课题组联合北京化工大学胡传刚教授课题组报道了一种用于锂-二氧化碳电池正极的催化剂材料。Li-CO₂电池的正极催化剂需要担负催化还原CO₂及分解Li₂CO₃的任务。这种催化剂材料以氧化石墨烯（GO）为材料，通过氮掺杂和高温移除氮原子两步，合成了富有五元碳环、七元碳环等拓扑缺陷的石墨烯。

密度泛函理论计算表明，拓扑缺陷中带负电的碳是吸附CO₂和分解Li₂CO₃的活性位点。得益于催化剂的高性能，Li-CO₂电池展现出69000 mAh/g（0.5 A/g）的高能量密度；1.0 A/g下可稳定运行600次充放电循环；充放电过电势为1.87 V（vs. Li⁺/Li）。

封面是利用Li-CO₂电池供给火星探测车的概念图。火星大气层中CO₂占96%，是电能的可观来源。蓝色的拓扑缺陷石墨烯网络与上方飞舞的CO₂分子相互作用，完成了Li⇌Li₂CO₃的相互转换（下方阴阳图），为前方探测车供电。

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超级电容器电极材料

美国杜兰大学（Tulane University）Michael Naguib教授课题组及合作者报道了一种提升MXene电极在室温离子液体电解液中储电性能的方法。室温离子液体以其电化学稳定性高而可承受高电压，有利于增加超级电容器的比电容或能量密度。但是MXene材料（如Ti₃C₂T_x）因其层与层之间距离小，无法容纳离子液体中的离子，因而储能容量小。

针对层间距小的问题，作者们利用季铵盐对Ti₃C₂T_x进行插层，打开层间距，使离子液体中的离子嵌插成为可能。通过改变季铵盐烷基链的长度还能调控层间距大小。

实验结果显示经季铵盐插层后的Ti₃C₂T_x电极在[EMIM]⁺[TFSI]^–室温离子液体中均比不经处理的Ti₃C₂T_x储存更多电量。其中十二烷基三甲基铵正离子插层的电极展现出最高的比电容257 F/g（1 mV/s），相当于1428 mF/cm²或492 F/cm³。此外，作者们还利用准弹性中子散射、电化学阻抗、分子动力学模拟等手段，解释了电极电化学性能与季铵盐烷基链长度的关系：链长越长，层间距越大，电极活性比表面积越大，电容越大。但同时离子在层间的传输阻力增加，倍率性能变差。

MXene层间因为季铵阳离子插层物（黑白长链）存在而被打开，EMIM⁺离子（带五元环的红黑分子）得以快速进入层间，完成储能过程。封面直观地总结了文章的要点。

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锂离子电池正极材料

台湾成功大学Watchareeya Kaveevivitchai教授课题组联合美国橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）Ilja Popovs教授课题组报道了一种锂离子电池有机正极材料。这种有机小分子电极由醌与六氮杂三苯的端基钳合而成，具有二维电子共轭结构。分子间互相以氢键相连，铺展形成二维超分子组装体，共轭程度扩大，因而材料导电，满足电极的基本要求。

电极性能：容量426 mAh/g（200 mA/g）；10 A/g、1000次充放电循环后容量209 mAh/g，容量保持率~85%。作者称倍率与稳定性能是目前报道的有机小分子电池正极中最棒的。

封面颇具数字感。一辆疾驰的汽车内部剖析开，着重呈现了其中的电池。电池中黑色物质应为文章涉及的有机电极材料。四周的黄色亮球应为锂离子。画面下方可见电极材料的分子结构模型和相邻分子间氢键（虚线）。

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镁离子超级电容器

韩国高丽大学（Korea University）Young Soo Yun教授、韩国仁荷大学（Inha University）Hyoung-Joon Jin教授、韩国国立江原大学（Kangwon National University）Hyung-Kyu Lim教授等探究了镁离子的溶剂化与超级电容器最大稳定工作电压的关系。该研究的出发点是电荷大、半径小的离子溶剂化程度强，会影响溶剂在孔道中的电化学稳定性，从而改变器件工作电压。

为探究该关系，作者们选取Mg²⁺（阴离子TFSI^–）、小介孔碳（介孔孔径3-10 nm）、二甲氧基乙烷溶剂为研究对象，发现Mg²⁺的强溶剂化作用能显著提升溶剂在小介孔中的氧化稳定性，并削弱阴离子对溶剂电化学稳定性的不利影响。它们组成的对称镁离子超级电容器可达到4 V的稳定工作电压，获得了106 Wh/kg的能量密度与11870 W/kg的功率密度。

透过超级电容器的透明外壳可以看到小介孔碳正负极。漂浮在两电极间、带红球的分子模型代表二甲氧基乙烷溶剂。从远处绵延而来的黄色小球为Mg²⁺。中间发光的点可能象征揭示三者作用关系真相，对应研究主题。

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锂离子电池负极材料

四川大学刘文博教授课题组报道了一种核壳结构的锂离子电池负极材料。该材料以铜网为基底和原料，经热处理、柯肯达尔（Kirkendall）效应、酸蚀处理，形成SnO₂壳、Cu颗粒核的纳米棒结构。Cu颗粒在壳内且数量多，与壳一起形成类似豌豆荚的形状。

豆荚结构有利于提升电极储电性能。SnO₂空心壳结构容纳SnO₂锂化过程的膨胀体积；内部Cu颗粒提升电极整体导电性，便于电子向电极内部传导；“豆荚”生长于铜网上，坚固不易脱落。

实测电极初始可逆电容量高达5.80 mAh/cm²；1 mA/cm²电流密度下充放电200圈后，容量保持率66.7%，库伦效率近100%。

背景中水晶骨架网络代表铜网，其上生长SnO₂-Cu“豆荚”。近处一“豆荚”打开，展示了内部结构：绿色荚壳为SnO₂，金黄色豆为Cu。散落Cu颗粒旁边的剔透小球疑似水分子，是合成步骤中酸蚀过程的产物之一。

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