【顶刊速递】 锂硫电池/锌空电池/超级电容器电极材料最新集锦

锂硫电池(LSB)是实现低成本、高能量密度电池的一个有吸引力的选项。然而，活性材料的绝缘特性、穿梭效应和缓慢的氧化还原动力学导致了严重的容量衰减和低速率能力。人们已经尝试了多模态方法来解决这些问题，并将循环稳定性和能量密度推向更高的水平。近年来，利用催化材料加速氧化还原动力学被认为是实现高性能LSB的重要途径。

韩国Jinwoo Lee课题组在这篇综述中，对LSB催化材料设计的进展进行了深入的总结，并对其催化活性及机制进行了总结。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201902413

杂多酸(HPA)是一种独特的材料，具有很高的酸度和质子导电性。然而，它们的低比表面积和在极性溶剂中的高溶解度使它们不适合催化或能源应用。这些问题可以通过在HPA中创造纳米孔来克服。

mPTA纳米结构呈现球形，比表面积为93m² / g，孔径为4nm。mPTA的一个独特特征是其高热稳定性（约450℃）和在碳酸亚乙酯/碳酸二乙酯（EC / DEC）的有机电解质中不溶解，这对锂离子电池是有益的。优化后的mPTA在0.1 A /g时提供872mAh/g的可逆容量，即使在锂离子电池(LIBs)循环100次之后也是如此。

该合成策略可用于制备不同多孔结构的HPA，可用于催化和能源应用。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201901224

在导电基底上直接生长电催化剂是制备柔性锌空气电池(FZABs)空气电极的一种新策略。然而，生长在导电基板上的电催化剂通常是无序的，并且密集地充满了“禁区”，在这些“禁区”中，内部的堵塞切断了催化氧反应的活性位点。

为了将“禁区”最小化，加拿大滑铁卢大学陈中伟团队在泡沫镍上构建了一个有序的多维阵列，该阵列由一维碳纳米管和二维碳纳米粒组装而成，纳米粒表面装饰有零维钴纳米颗粒(称为MPZ‐CC@CNT)。当MPZ‐CC@CNT直接用作FZAB的自支撑电极时，在电流密度为50ma cm⁻²时，能量密度为946 Wh kg⁻¹的情况下，其在1800个周期(600 h)以上的边际电压衰减率为0.006 mV cycle⁻¹。

电化学阻抗谱表明，最小的内阻和电化学极化有利于三相（即氧气，电解质和催化剂）之间的闪蒸反应物穿梭，这是由开放和有序的结构提供的。这种先进的电极设计为提高其他可充电电池系统的电化学性能提供了巨大的潜力。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.201900911

储能设备对超级电容器的需求越来越大。活性炭孔隙率高、成本低，是极具发展前景的电极材料，已在超级电容器中应用多年。然而，由于填料密度较低，导致其体积性能不理想，在需要高体积能量密度的情况下，这是阻碍其实际应用的一大障碍。

受不规则石榴颗粒致密结构的启发，天津大学杨全红课题组报道了一种简单而有效的方法，用石墨烯作为“果皮”将活性炭包装成紧凑的石墨烯网络。

石墨烯网络的毛细收缩通过微观重排大大降低了活性炭颗粒之间的空隙，同时保留了其内部孔隙度。因此，电极密度从0.41g cm⁻³增加到0.76 g cm⁻³。当用作离子液体电解质中超级电容器的无添加剂电极时，这种多孔而致密的电极可提供高达138 F cm⁻³的体积电容，其重量和体积能量密度分别达到101 Wh kg⁻¹和77 Wh L⁻¹。

这种石墨烯辅助致密化策略可以推广到其他碳或非碳颗粒的致密化，用于需要高体积性能的能源设备。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.201802355

非贵金属单原子材料以其低成本、高反应活性、高选择性和高原子利用率在电催化领域受到广泛关注。

然而，单个原子的高表面能在制备和催化测量过程中会引起团聚，对催化位点造成损伤。底物与单原子之间的强相互作用是防止单个金属原子聚集的关键因素，可以通过调整催化剂的几何结构和电子结构来优化催化活性。

氮掺杂多孔碳由于拥有多级次孔结构，高比表面积和丰富缺陷，是作为单原子催化剂的理想载体，能够协同提高非贵金属单原子对氧还原反应、析氧反应、析氢反应、二氧化碳还原反应、氮还原反应的电催化性能。

本文总结了M (M = Co、Fe、Ni、Cu、Zn、Mo等)单原子在氮掺杂多孔碳上的可控合成、表征、理论计算及应用。最后，总结了氮掺杂多孔碳负载非贵金属单原子电催化剂的未来发展和面临的挑战。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smtd.201900159