大牛带你尽览储能前沿-Natl.Sci.Rev.储能材料综述专题

能源问题是当今世界面临的最大挑战之一，其中一种解决方案是研制高效可靠的储能材料、设备和系统。它们可以将太阳能、风能、潮汐能等储存起来，为人类活动不间断地供给能量。《国家科学评论》2017年第1期出版了关于储能材料的前沿进展专题，敬请收阅。

1特邀编辑：寻找可充电电能系统的更好材料（曹国忠）

在环境上和地缘政治上可持续地满足全世界不断增长的人口的能源需求是当今人类面临的最重要的技术挑战。可持续或清洁能源中面临的挑战及对其的需求已经刺激并催化出了很多努力，这导致了清洁能源技术中的重大进步及其商业化。例如太阳能电池和风能的迅速发展，但是清洁能源在人类现今使用的能源中仍占很少的比例。清洁能源具有不连续的属性，同时现代社会的运转依赖于不间断的能源来保证稳定和高效的能量转化，并且储能技术也是不可或缺的。在此之中，寻找更好的材料对可充电系统来说是关键一环。

近期，来自美国华盛顿大学材料科学与工程系终身教授曹国忠作为特邀编辑提出了寻找可充电电能系统的更好材料的问题，并对本期的文章进行了简要介绍。

文献链接：GuozhongCao.Search for better materials for regeable electric energy storage（Natl.Sci.Rev.，2017，DOI:10.1093/nsr/nww091）

2研究亮点：通过晶种生长控制锂金属（姚彦）

近年来，将锂金属应用于电池中的阳极已经使全世界投入了巨大热情。锂金属电池的比能量比现今电动车使用的电池高出三倍。但是，在沉积和剥离过程中锂枝晶生长的不可控性及有限的库伦效率限制了其实际应用。

最近，来自美国休斯顿大学的姚彦教授详细阐述了利用晶种生长对锂金属的沉积及形貌进行调控的方法，降低了锂枝晶出现的几率并提高了电池的稳定性。

文献链接：YanYao.Taming lithium metal through seeded growth（Natl.Sci.Rev.，2017，DOI:10.1093/nsr/nww084）

3观点：调控电池中的界面相（许康）

电荷在电解液和电极间的转移会影响电化学器件内部电池反应的动力学和可逆性。当器件工作在电解液的热力学稳定限之上时，界面相就会在界面处形成。而界面相往往是影响电池能量密度的关键因素。

最近，来自美国陆军研究实验室的许康教授在文章中详细讨论了电池中界面相对新电池化学成功的影响，并对其调控进行了介绍。

文献链接：KangXu.Manipulating interphases in batteries（Natl.Sci.Rev.，2017，DOI:10.1093/nsr/nww043）

4观点：柔性电池（成会明 李峰）

柔性及可穿戴电子器件的研究是当下的热点领域，然而，限制其发展的瓶颈是柔性电化学储能器件的发展。

最近，来自中国科学院金属研究所的成会明院士和李峰研究员等人就柔性电池的发展以及目前面临的问题进行了阐述。

文献链接：LeiWen，JingChen，JiLiang，FengLi，Hui-MingCheng.Flexible batteries ahead（Natl.Sci.Rev.，2017，DOI:10.1093/nsr/nww041）

5观点：聚合物纳米复合介电材料及其在储电中的应用（南策文 沈洋）

介电材料会在施加和移除电场时通过极化和去极化的方式储存和释放电荷。但是其较低的能量存储密度却限制了静电电容器的实际应用。

最近，来自清华大学的南策文院士和沈洋副教授等人对聚合物纳米复合介电材料在储电器件中的应用进行了详细阐述，并指出了目前面临的不足和挑战。

文献链接：YangShen，XinZhang，MingLi，YuanhuaLin，Ce-WenNan.Polymer nanocomposite dielectrics for electrical energy storage（Natl.Sci.Rev.，2017，DOI:10.1093/nsr/nww066）

6综述：通过嵌入反应实现储能：可充电电池中的电极（曹国忠 麦立强 李延伟）

电化学储能已经成为现代所有电子器件重要的实现手段，并将会在更多的电动汽车和电网级别的储能系统中得到应用。

最近，来自华盛顿大学的曹国忠教授、武汉理工大学的麦立强教授和桂林理工大学的李延伟教授等人共同发表综述，对嵌入式电极的历史进行了回顾，并对基于嵌入反应的电池的基本概念进行了阐述。同时总结了衡量电池性能的指标：能量密度、功率密度、安全性和稳定性，还阐明了电极材料的性质及其与化学基础和物理结构间的关系以及近期的研究进展，最后指出了目前面临的挑战和发展的方向。

文献链接：RobertC.Massé，ChaofengLiu，YanweiLi，LiqiangMai，GuozhongCao.Energy storage through intercalation reactions :electrodes for regeable batteries（Natl.Sci.Rev.，2017，DOI:10.1093/nsr/nww093）

7综述：基于转换反应的可充电锂金属电池（张新波 郭玉国）

锂离子电池应用于消费电子领域已经有二十年的历史，传统的锂电池都是基于锂离子的嵌入和脱嵌实现电能的存储和释放，然而，这种电池的理论容量限制了其进一步发展。

最近，来自中科院化学研究所的郭玉国研究员和中科院长春应用化学研究所的张新波研究员等人发表了关于基于转换反应的可充电锂离子电池的综述。文中以Li-S电池和Li-O2电池为例，聚焦于新兴锂离子电池中的转换反应。对电池中关键组分的基础电化学和近期研究进展进行了广泛的讨论，指出了在Li-S电池和Li-O2电池中转换反应面临的主要问题和解决策略，并对进行最优性能电池的涉及进行了阐述。

文献链接：SenXin,ZhiwenChang,XinboZhang,Yu-GuoGuo.Progress of regeable lithium metal batteries based on conversion reactions（Natl.Sci.Rev.，2017，DOI:10.1093/nsr/nww078）

8综述：赝电容材料在电化学电容器中的应用：从理性设计到电容优化（张校刚）

在不同的储能器件中，电化学电容器（ECs）拥有突出的供能能力但是能量密度相对较低。增加电化学电容器能量密度的一个方法就是从碳基双电层电容器到赝电容的转变，这会使电容器拥有更大的电容量。

最近，来自南京航空航天大学的张校刚教授等人发表综述，对赝电容材料在电化学电容器中的应用进行了详细阐述。相比碳基材料，赝电容电极在电子或离子的转移的过程中其电阻较高，这会严重限制其容量、倍率性能和可循环性。电极的理性设计为优化其电化学性能提供了机会，并使器件同时具有较高的能量密度和功率密度。文中着重对电化学电容器中能量和功率密度的提高方法进行了说明。

文献链接：JieWang,ShengyangDong,BingDing,YaWang,XiaodongHao,HuiDou,YongyaoXia,XiaogangZhang.Pseudocapacitive materials for electrochemical capacitors： from rational synthesis to capacitance optimization（Natl.Sci.Rev.，2017，DOI:10.1093/nsr/nww072）

9综述：廉价氧化还原液流电池在大规模储能中的应用进展及发展方向（刘俊 LiBin）

与锂离子电池相比，氧化还原液流电池在持续时间长以及大规模储能中的应用吸引了研究者广泛的关注。

最近，来自美国西北太平洋国家实验室的刘俊研究员和LiBin发表综述，着重讨论了储能中最重要的挑战在目前和未来的发展方向，即降低氧化还原液流电池系统的成本。发展结合低成本材料的水系统和高度可溶的化学物质被提到了优先位置。高度水溶性的无机氧化还原对于发展能够提供高能量密度和低储能成本的技术是十分重要的。在水体系和非水体系中对其分子进行理性设计和精确调控也极具潜力。同时，一些新概念的出现也会淡化传统电池于氧化还原液流电池间的界限，此外，隔膜以及电极表面副反应的控制也是十分必要的。

文献链接：BinLi，JunLiu.Progress and directions in low-cost redox-flow batteries for large-scale energy storage（Natl.Sci.Rev.，2017，DOI:10.1093/nsr/nww098）

10采访：陈立泉：固体金属锂离子电池研究中的四十年

锂离子电池由索尼公司在1991年首先商业化生产，并广泛应用于便携式电子器件、电动汽车和电网中。尽管锂离子电池取得了现象级的成功并成为了现代生活中不可或缺的一部分，但是其却落后于电子技术的快速进步。固体金属锂离子电池（SMLBs）就是其中具有更高能量密度的代表之一。陈立泉首次在中国开创了对于SMLBs的研究，并开展了固体离子学的相关基础研究。本文就是对陈立泉院士进行的采访，回顾了陈院士在固体锂离子电池和锂离子电池中40年的研究工作，并对SMLBs的复兴及未来发展进行了讨论。

文献链接：HongLi.Forty years of research on solid metal liclithium batteries:an interview with LiquanChen（Natl.Sci.Rev.，2017，DOI:10.1093/nsr/nww092）