四、Adv． Mater．：硅烯納米片正極催化鋰氧電池

近日，南洋理工大學(xué)的王昕教授（通訊作者）團隊采用“自上而下”的方法，從球磨得到的納米級硅粉出發(fā)，采用鋰化－脫鋰工藝（LDP）制備出僅含幾個原子層的硅烯納米片。研究發(fā)現(xiàn)，脫鋰過程中采用的溶劑種類對最終產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和形貌具有決定性影響。當(dāng)采用異丙醇作為脫鋰過程中的溶劑時，能得到長度約為30－100 nm，厚度約為2．4 nm的二維硅烯納米片。將該方法制得的硅烯納米片作為鋰氧電池正極催化劑，其能量效率能達到73％，并具有較高的穩(wěn)定性。這項工作將鋰化－脫鋰工藝的適用范圍從層狀材料拓展到非層狀材料，并探究了用該方法可能制得硅材料的結(jié)構(gòu)和形貌。該工作以“Lithiation／Delithiation Synthesis of Few Layer Silicene Nanosheets for Rechargeable Li–O2 Batteries”為標(biāo)題發(fā)表在Adv． Mater．上。

圖1 （a） 層狀材料；（b） 非層狀材料經(jīng)鋰化－脫鋰工藝（LDP）得到層狀材料的過程對比

在這項工作中，研究人員先用干法球磨得到粒徑為100－1000 nm的硅粉。將該硅粉涂覆在銅箔表面作為工作電極，以鋰箔作為對電極和參比電極，采用含1 M LiPF6的EC／DMC（體積比為1：1）電解液，構(gòu)成扣式鋰離子電池，在20－50 mA／g的電流密度下放電，并將放電容量控制為500 mAh／g（部分放電）或4200 mAh／g（完全放電）。將工作電極從紐扣電池中取出并在不同種類的溶劑中超聲，經(jīng)脫鋰得到不同的硅納米結(jié)構(gòu)。該工作在脫鋰步驟中采用的溶劑包括去離子水、異丙醇、甲醇、乙醇、正丁醇、正己醇。由于溶劑提供質(zhì)子的能力不僅決定了脫鋰步驟中H＋被硅化鋰還原生成H2的速率，還決定了不同種類溶劑分子與Li＋結(jié)合形成溶劑化鋰離子的能力。因此在脫鋰步驟中選用不同種類的溶劑，就能調(diào)節(jié)脫鋰速率，形成形貌各異的硅納米結(jié)構(gòu)。

圖2 用鋰化－脫鋰工藝制備不同的硅納米結(jié)構(gòu)

通過研究硅電極的鋰化程度及脫鋰步驟所用溶劑對最終產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和形貌造成的影響，研究人員發(fā)現(xiàn)：

（1） 100％鋰化的硅電極在去離子水中脫鋰后產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)與石墨相仿的“硅墨”。（注：仿造Graphite，這種硅納米結(jié)構(gòu)被作者命名為“Siliphite”。）這種“硅墨”由大量層狀硅納米片堆垛而成，其厚度為幾百納米，長度為10－20 μm。這是由于去離子水提供質(zhì)子的能力相對較強，使脫鋰過程釋放大量熱量，并伴隨有大量氣泡產(chǎn)生。經(jīng)剝離得到的層狀硅納米片表面還沒有來得及功能化，就迅速發(fā)生堆垛形成“硅墨”。

（2） 100％鋰化的硅電極在異丙醇中脫鋰后產(chǎn)生了由幾層硅烯堆垛而成的硅納米片，用AFM測得的長度為30－100 nm，厚度約為2．4 nm，并存在厚度為2－3 nm的褶皺。這是由于異丙醇提供質(zhì)子的能力比水弱，其脫鋰速率更慢，剝離得到的硅納米片有充分的時間進行表面功能化反應(yīng)，使硅納米片更穩(wěn)定，有效阻止了硅納米片的進一步堆垛和結(jié)合，形成較薄的硅納米片。

（3） 部分鋰化的硅電極在異丙醇中脫鋰后形成尺寸為300－400 nm的納米海膽結(jié)構(gòu)，其核心部位為未經(jīng)鋰化的硅核，而殼層由與硅核相連的硅納米片組成。

圖3 （a，b） 硅納米海膽；（c） 硅墨；（d，e，f） 由幾層硅烯組成的硅納米片的形貌和結(jié)構(gòu)表征

五、Adv． Mater． ： 晶界鈍化法制備穩(wěn)定高效鈣鈦礦太陽電池

近日，來自陜西師范大學(xué)題為“Stable High－Performance Perovskite Solar Cells via Grain Boundary Passivation”的相關(guān)研究成果發(fā)表于Advanced Materials。陜西師范大學(xué)劉生忠教授、趙奎教授與阿卜杜拉國王科技大學(xué)Aram Amassian教授為文章的共同通訊作者，碩士生牛天啟為文章第一作者。在該研究中，研究人員在鈣鈦礦晶界處引入帶有路易斯酸／堿功能基團的半導(dǎo)體有機小分子，通過形成路易斯酸堿加合物或是鹵素－富勒烯自由基，有效地鈍化了Pb2＋空位或Pb－I反位缺陷。同時，鈣鈦礦與小分子間能級匹配度的提升將有助于增強缺陷鈍化作用，提高載流子遷移率。晶界鈍化在提升器件光電性能的同時，晶界處的疏水型有機小分子能夠有效地抵御水汽的進入，提升器件整體的穩(wěn)定性。

上述研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中央高�；�金、教育部“111引智計劃”和“****”項目的資助。

圖一：晶界鈍化概念模型

（a）． 帶有路易斯酸／堿功能基團的半導(dǎo)體有機小分子結(jié)構(gòu)圖和能級圖

（b）． 路易斯酸／堿功能基團與MAPbI3晶面間的選擇性作用

（c－d）． MAPbI3晶界鈍化模型

圖二：鈣鈦礦薄膜結(jié)晶動力學(xué)研究

（a）． 一步旋涂法制備MAPbI3薄膜示意圖

（b－e）． 原位GIWAXS測試分析不同分子修飾MAPbI3的相變過程和結(jié)晶性質(zhì)

（f）．  MAPbI3的結(jié)晶動力學(xué)模型

六、Nano Letter：抑制鋰枝晶形成新方法——采用鋰金屬基電池多孔介質(zhì)

近期，西北工業(yè)大學(xué)、美國特拉華大學(xué)魏秉慶教授和謝科予教授（共同通訊）團隊在Nano Letter期刊上發(fā)表題為“Suppressing Dendritic Lithium Formation Using Porous Media in Lithium Metal－Based Batteries ”的文章，納米能源材料研究中心博士生李楠為第一作者，研究工作也得到了材料學(xué)院李賀軍教授、宋強副研究員，波士頓大學(xué)Emily M． Ryan教授和猶他州立大學(xué)Liu Ling教授等在材料制備與理論計算方面的大力支持。本研究結(jié)合理論計算與實驗結(jié)果，闡明了金屬鋰電沉積過程中多孔介質(zhì)內(nèi)部局部離子流量和孔道結(jié)構(gòu)對鋰枝晶抑制效果的作用規(guī)律，揭示了多孔介質(zhì)中鋰枝晶抑制的普適原理，為研究開發(fā)更安全、更耐用的新一代金屬電池（Li，Na，K，Al等電池）提供了理論指導(dǎo)。

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