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Building better solid-state batteries with silicon-based anodes

Interdisciplinary Materials 2023年第4期2卷 635-663页

作者： Zhefei Sun Quanzhi Yin Haoyu Chen Miao Li Shenghui Zhou Sifan Wen Jianhai Pan Qizheng Zheng Bing Jiang Haodong Liu Kangwoon Kim Jie Li Xiang Han Yan-Bing He Li zhang Meicheng Li qiaobao zhang State Key Laboratory of Physical Chemistry of Solid Surfaces College of MaterialsXiamen UniversityXiamenFujianChina State Key Laboratory of Physical Chemistry of Solid Surfaces College of Chemistry and Chemical EngineeringCollaborative Innovation Center of Chemistry for Energy MaterialsTan Kah Kee Innovation LaboratoryXiamen UniversityXiamenFujianChina State Key Laboratory of Alternate Electrical Power System with Renewable Energy Sources School of New EnergyNorth China Electric Power UniversityBeijingChina Center for Memory and Recording Research Building University of California San DiegoLa JollaCaliforniaUSA Department of Energy Politecnico di MilanoMilanItaly Co-Innovation Center of Efficient Processing and Utilization of Forest Resources College of Materials Science and EngineeringNanjing Forestry UniversityNanjingJiangsuChina Tsinghua Shenzhen International Graduate School Shenzhen All-Solid-State Lithium Battery Electrolyte Engineering Research Center and Shenzhen Geim Graphene CenterInstitute of Materials Research(IMR)Tsinghua UniversityShenzhenChina Shenzhen Research Institute of Xiamen University ShenzhenChina

Silicon(Si)-based solid-state batteries(Si-SSBs)are attracting tremendous attention because of their high energy density and unprecedented safety,making them become promising candidates for next-generation energy storage ***,the commercialization of Si-SSBs is significantly impeded by enormous challenges including large volume variation,severe interfacial problems,elusive fundamental mechanisms,and unsatisfied electrochemical ***,some unknown electrochemical processes in Si-based anode,solid-state electrolytes(SSEs),and Si-based anode/SSE interfaces are still needed to be explored,while an in-depth understanding of solid–solid interfacial chemistry is insufficient in *** review aims to summarize the current scientific and technological advances and insights into tackling challenges to promote the deployment of ***,the differences between various conventional liquid electrolyte-dominated Si-based lithium-ion batteries(LIBs)with Si-SSBs are ***,the interfacial mechanical contact model,chemical reaction properties,and charge transfer kinetics(mechanical–chemical kinetics)between Si-based anode and three different SSEs(inorganic(oxides)SSEs,organic–inorganic composite SSEs,and inorganic(sulfides)SSEs)are systemically reviewed,***,the progress for promising inorganic(sulfides)SSE-based Si-SSBs on the aspects of electrode constitution,three-dimensional structured electrodes,and external stack pressure is highlighted,***,future research directions and prospects in the development of Si-SSBs are proposed.

关键词： interfaces Si-based anodes solid-state batteries solid-state electrolytes

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Boosting the potassium-ion storage performance enabled by engineering of hierarchical MoSSe nanosheets modified with carbon on porous carbon sphere

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Science Bulletin 2022年第9期67卷 933-945,M0004页

作者： Mengting Cai Hehe zhang Yinggan zhang Bensheng Xiao Lei Wang Miao Li Ying Wu Baisheng Sa Honggang Liao Li zhang Shuangqiang Chen Dong-Liang Peng Ming-Sheng Wang qiaobao zhang Department of Materials Science and Engineering College of MaterialsXiamen UniversityXiamen 361005China Department of Chemical Engineering School of Environmental and Chemical EngineeringShanghai UniversityShanghai 200444China School of Materials and Energy Lanzhou UniversityLanzhou 730000China College of Chemistry and Chemical Engineering Xiamen UniversityXiamen 361005China Key Laboratory of Eco-materials Advanced Technology College of Materials Science and EngineeringFuzhou UniversityFuzhou 350108China Innovation Laboratory for Sciences and Technologies of Energy Materials of Fujian Province(IKKEM) Xiamen 361005China

Developing suitable electrode materials capable of tolerating severe structural deformation and overcoming sluggish reaction kinetics resulting from the large radius of potassium ion(K+)insertion is critical for practical applications of potassium-ion batteries(PIBs).Herein,a superior anode material featuring an intriguing hierarchical structure where assembled MoSSe nanosheets are tightly anchored on a highly porous micron-sized carbon sphere and encapsulated within a thin carbon layer(denoted as Cs@MoSSe@C)is reported,which can significantly boost the performance of *** assembled MoSSe nanosheets with expanded interlayer spacing and rich anion vacancy can facilitate the intercalation/deintercalation of K+and guarantee abundant active sites together with a low K+diffusion ***,the thin carbon protective layer and the highly porous carbon sphere matrix can alleviate the volume expansion and enhance the charge transport within the *** these merits,the as-prepared Cs@MoSSe@C anode exhibits a high reversible capacity(431.8 mAh g^(-1) at 0.05 A g^(-1)),good rate capability(161 mAh g^(-1) at 5 A g^(-1)),and superior cyclic performance(70.5%capacity retention after 600 cycles at 1 A g^(-1)),outperforming most existing Mo-based S/Se *** underlying mechanisms and origins of superior performance are elucidated by a set of correlated in-situ/ex-situ characterizations and theoretical ***,a PIB full cell based on Cs@MoSSe@C anode also exhibits an impressive electrochemical *** work provides some insights into developing high-performance PIBs anodes with transition-metal chalcogenides.

关键词： Potassium-ion storage performance Electrode materials Potassium-ion batteries Transition-metal chalcogenides

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Reversible potassium storage in ultrafine CF_(x): A superior cathode material for potassium batteries and its mechanism

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Journal of Energy Chemistry 2021年第2期30卷 347-353,I0012页

作者： Hongjun Yue Huixin Chen Chen Zhao Zhiming Zheng Ke Zhou Qjaobao zhang Guiming Zhong Can-Zhong Lu Yong Yang CAS Key Laboratory of Design and Assembly of Functional Nanostructures and Fujian Provincial Key Laboratory of NanomaterialsFujian Institute of Research on the Structure of MatterChinese Academy of SciencesFuzhou 350002FujianChina Xiamen Institute of Rare Earth Materials Haixi Institutes.Chinese Academy of SciencesXiamen 361021Fujian.China College of Chemistry Fuzhou University.Fuzhou 350108FujianChina Department of Materials Science and Engineering College of MaterialsXiamen UniversityXiamen 361005FujianChina State Key Lab of Physical Chemistry of Solid Surfaces Collaborative Innovation Center of Chemistry for Energy Materials and Department of ChemistryXiamen UniversityXiamen 361005FujianChina

Current studies of cathodes for potassium batteries(PBs) mainly focus on the intercalation-type *** conversion-type materials that possess much higher theoretical capacities are rarely discussed in previous *** this work,carbon fluoride(CF_x) is reported as a high capacity conversion-type cathode for PBs for the first *** material delivers a remarkable discharge capacity of>250 mAh g^(-1) with mid-voltage of 2.6 V at 20 mA g^(-1).Moreover,a highly reversible capacity of around 95 mAh g^(-1) is achieved at 125 mA g^(-1) and maintained for 900 cycles,demonstrating its excellent cycling *** mechanism of this highly reversible conversion reaction is further investigated by nuclear magnetic resonance spectra,X-ray diffraction,and transmission electron microscopy *** to the analyses,the C-F bond in the cycled material is different from that in the pristine state,which presents relatively higher *** finding offers important insights for further improving the performance of the CF_*** work not only demonstrates the CF_x as a high performance cathode for PBs,but also paves a new avenue of exploring conversion-type cathodes for high energy density PBs.

关键词： Potassium batteries Carbon fluoride NMR spectroscopy Conversion reaction Cathode

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高负载硫正极功能性黏结剂研究进展

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科学通报 2019年第32期64卷 3285-3296页

作者：张力 Rashid Arif 李莎张桥保晏成林苏州大学能源学院苏州215006 苏州大学江苏省先进碳材料与可穿戴能源技术重点实验室苏州215006 厦门大学材料学院厦门361005 厦门大学化学化工学院厦门361005

锂硫电池是高能量密度二次电池的重要体系.但硫材料固有的绝缘属性以及硫正极在电化学循环中特殊的"固-液-固"反应历程,易导致材料利用率低、极化严重、溶解性多硫化锂"穿梭"以及剧烈体积变化等负面影响,造成高负载硫正极性能发挥和稳... 详细信息

锂硫电池是高能量密度二次电池的重要体系.但硫材料固有的绝缘属性以及硫正极在电化学循环中特殊的"固-液-固"反应历程,易导致材料利用率低、极化严重、溶解性多硫化锂"穿梭"以及剧烈体积变化等负面影响,造成高负载硫正极性能发挥和稳定循环的极大困难.近年来,作为非活性组分的黏结剂在锂硫电池中被赋予了丰富的功能,如有效捕捉溶解性多硫化锂以及维持电极/导电结构长期循环稳定性等,极大地推动了高负载硫正极的发展.本文从高负载硫正极用黏结剂的关键作用、研究现状、作用机制原位解析、现存挑战以及未来发展方向等方面,重点归纳和阐述近年来高负载硫正极用功能性黏结剂的重要研究进展.

关键词：锂硫电池高负载硫正极功能性黏结剂体积效用穿梭效应原位表征

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面向电化学储能与转化的表界面工程

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物理化学学报 2022年第6期38卷 1-3页

作者：于乐黄小青张桥保张志成北京化工大学有机无机复合国家重点实验室化学工程学院北京100029 厦门大学固体表面物理化学国家重点实验室化学化工学院福建厦门361005 厦门大学材料学院福建厦门361005 天津大学天津市分子光电科学重点实验室理学院化学系天津300072

随着不可再生化石燃料的枯竭和人类能源需求的快速增长,能源利用正从传统化石能源主体逐渐转向低碳可再生能源。2020年9月,习近平总书记在第75届联合国大会上提出:“中国将在未来几十年里,采取一系列方法、政策和措施,CO_(2)排放力争于2... 详细信息

随着不可再生化石燃料的枯竭和人类能源需求的快速增长,能源利用正从传统化石能源主体逐渐转向低碳可再生能源。2020年9月,习近平总书记在第75届联合国大会上提出:“中国将在未来几十年里,采取一系列方法、政策和措施,CO_(2)排放力争于2030年前达到峰值,争取在2060年前实现碳中和。”当前,“碳达峰、碳中和”显然已成为社会各界热议的焦点,高效的能源转换和储存已被视为最重要的全球挑战之一。

关键词：可再生能源全球挑战能源转换碳中和化石燃料电化学储能能源需求能源利用

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锂离子电池硅氧化物负极首次库伦效率的影响因素与提升策略

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高等学校化学学报 2021年第8期42卷 2342-2358页

作者：李辉阳朱思颖李莎张桥保赵金保张力厦门大学化学化工学院厦门361005 厦门大学材料学院厦门361005

硅氧化物(SiO_(x),0 详细信息

硅氧化物(SiO_(x),0

关键词：锂离子电池硅氧化物首次库伦效率结构设计预锂化

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生物质碳材料作为钠/钾离子电池负极材料的研究进展

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中国材料进展 2021年第8期40卷 596-606页

作者：王华燕陈慧鑫张桥保张力中国科学院海西研究院厦门稀土材料研究所厦门市稀土光电功能材料重点实验室福建厦门361021 厦门大学材料学院福建厦门361005 厦门大学化学化工学院福建厦门361005

由于钠、钾元素储量丰富且与锂元素相近的化学性质,钠/钾离子电池(SIB/PIB)在低成本可再生能源和储能领域引起了广泛关注。作为推动SIB/PIB发展的关键,低成本、高性能负极材料的发展有助于提高其竞争力和可行性。因此,具有精细生物分级... 详细信息

由于钠、钾元素储量丰富且与锂元素相近的化学性质,钠/钾离子电池(SIB/PIB)在低成本可再生能源和储能领域引起了广泛关注。作为推动SIB/PIB发展的关键,低成本、高性能负极材料的发展有助于提高其竞争力和可行性。因此,具有精细生物分级结构、优异表面电化学活性和导电性,且环境友好、成本低廉的生物质基硬碳材料几乎可以作为SIB/PIB负极材料的优选,其固有的较大层间间距有利于半径较大的钠、钾离子的脱嵌。基于此,综述了生物质碳材料作为SIB/PIB负极材料的最新研究进展,介绍了具有不同微结构的生物质碳材料的制备方法,分析了其电化学性能与结构的关系,最后讨论了其目前面临的挑战和未来发展方向。

关键词：钠离子电池钾离子电池负极材料硬碳电化学性能

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WEI JIA'S EXPERIENCE IN TREATING ASTHMA WITH ACUPUNCTURE GUIDED BY THE THEORY OF "MUTUAL REINFORCING IN TREATMENTS"

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World Journal of Acupuncture-Moxibustion 1992年第4期2卷 3-9页

作者： zhang qiaobao, Jiangxi Guanghua Platics Factory, Nanchang, Jiangxi Province 330100. China Xie Qiang, Jiangxi College Of Traditional Chinese Medicine, Nanchang, Jiangxi Province 330006, China

The article gives Professor Wei’s experience of using theory of mutual reinforce-ing therapies in acupuncture and moxibustion on treating asthma. There are different 8 kinds of thera-pies such as acupuncture, plum-blossom needles, embedding of catgut in point, cupping on Ashipoint, external application on points, suppurative moxibustion, injection in points, etc. All of thesemethods have both advantages and backdraws. Prof. Wei tells us how to make full use of them, sothat we are able to improve the curative effect to its possible extend. This theory is important not onlyin acupuncture and moxibustion but also in guiding our practice in other fields of T. C. M.

关键词： moxibustion acupuncture asthma curative treating embedding mutual relieve unable throat

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锂离子电池氧化亚硅负极结构优化和界面改性研究进展

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物理化学学报 2022年第6期38卷 33-60页

作者：朱思颖李辉阳胡忠利张桥保赵金保张力厦门大学化学化工学院福建厦门361005 厦门大学材料学院福建厦门361005

氧化亚硅(SiO)作为锂离子电池负极材料,具有较高的理论比容量(~2043 mAh·g^(−1))以及合适的脱锂电位(<0.5 V),且原料储量丰富、制备成本较低、对环境友好,被认为是下一代高能量密度锂离子电池负极极具潜力的候选材料。然而,SiO在脱/嵌... 详细信息

氧化亚硅(SiO)作为锂离子电池负极材料,具有较高的理论比容量(~2043 mAh·g^(−1))以及合适的脱锂电位(<0.5 V),且原料储量丰富、制备成本较低、对环境友好,被认为是下一代高能量密度锂离子电池负极极具潜力的候选材料。然而,SiO在脱/嵌锂过程中存在着较严重的体积效应(~200%),易导致材料颗粒粉化、脱落,严重影响了SiO负极电极的界面稳定性和电化学性能。近年来,人们围绕SiO负极结构优化和界面改性开展了大量工作。本文先从SiO负极材料的结构特点出发,阐述了该材料面临的主要瓶颈问题;继而从SiO的结构优化、SiO/碳复合和SiO/金属复合等三方面,系统总结了迄今已有的SiO负极结构设计和界面调控策略,并分别对其方法特点、电化学性能以及二者间关联规律进行了比较和归纳,最后对SiO负极材料结构和界面改性的未来发展方向进行了展望。

关键词：锂离子电池氧化亚硅负极结构优化界面改性碳复合金属复合

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高温金属结构材料单晶制备及其研究进展

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稀有金属 2021年第5期45卷 541-550页

作者：张晨阳潘昆明徐流杰周玉成李秀青张桥保河南科技大学金属材料磨损控制与成型技术国家地方联合工程研究中心河南洛阳471000 河南科技大学高温结构与功能材料河南省重点实验室河南洛阳471003 厦门大学材料学院福建厦门361005

高温金属结构材料具有极其突出的高温力学性能、抗氧化能力等,被广泛用于航空航天、武器装备、核电装备等重要领域。其单晶不存在晶界破坏,具有韧-脆转变温度低、高温结构性能稳定等优点,使用温度比相同成分的传统柱状晶提高50~100℃,... 详细信息

高温金属结构材料具有极其突出的高温力学性能、抗氧化能力等,被广泛用于航空航天、武器装备、核电装备等重要领域。其单晶不存在晶界破坏,具有韧-脆转变温度低、高温结构性能稳定等优点,使用温度比相同成分的传统柱状晶提高50~100℃,安全服役寿命得以显著提高,因而高温金属结构材料单晶的制备、取向及其性能已经成为当前高温结构材料领域研究的热点。该综述简要回顾了高温金属结构材料单晶发展历程,重点且系统论述了近年来国内外最新研究进展,分别介绍了气相沉积法、电子束悬浮区域熔炼法、光束悬浮区域熔炼法、等离子弧熔炼法、增材制造技术等制备工艺、原理、优缺点及最新研究现状,总结了不同制备工艺对高温金属结构材料单晶组织、性能的影响及其作用规律,并展望了未来的研究趋势以及应用前景,以期对高温金属结构材料的优化和发展提供借鉴意义。

关键词：高温金属结构材料单晶制备工艺发展趋势应用

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