1. AEM：低成本準(zhǔn)固態(tài)”膨脹粘土包水”電解質(zhì)實現(xiàn)5000次循環(huán)水系鋅離子電池
水誘導(dǎo)的寄生反應(yīng)會導(dǎo)致鋅金屬負極的可逆性較差，這對水系鋅離子電池（AZIBs）的實際應(yīng)用構(gòu)成了重大挑戰(zhàn)。
圖1 電解質(zhì)設(shè)計
德克薩斯大學(xué)達拉斯分校Guoping Xiong、Kyeongjae Cho、圣母大學(xué)Tengfei Luo等設(shè)計了一種含有硫酸鋅和膨脹粘土（BT）的新型準(zhǔn)固態(tài)”膨脹粘土包水”（water-in-swelling-clay）電解質(zhì)（WiSCE），以實現(xiàn)高度可逆的鋅金屬負極。研究顯示，基于WiSCE的AZIB全電池在各種電流密度下都表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性、較長的保質(zhì)期、較低的自放電速率和優(yōu)異的高溫適應(yīng)性。特別是，基于WiSCE的AZIB全電池在0.1A g-1的條件下循環(huán)200次后容量保持90.47%，在1A g-1的條件下循環(huán)2000次后容量保持96.64%，在3A g-1的條件下循環(huán)5000次后容量保持88.29%。
圖2 半電池性能
詳細的密度泛函理論計算表明，在WiSCE中BT和水分子之間形成了強烈的氫鍵。因此，水分子被BT強烈限制，特別是在夾層內(nèi)，這大大抑制了水引起的寄生反應(yīng)，大大改善了循環(huán)穩(wěn)定性。因此，與最先進的”鹽包水”電解質(zhì)相比，WiSCE可以在全電池水平上提供明顯更高的容量，而成本卻大大降低，這對設(shè)計下一代高性能AZIB很有希望?？傝F有人，這項工作為開發(fā)具有成本競爭力的AZIBs作為電網(wǎng)規(guī)模儲能的替代品提供了一個新的方向。
A Low-Cost Quasi-Solid-State “Water-in-Swelling-Clay” Electrolyte Enabling Ultrastable Aqueous Zinc-Ion Batteries. Advanced Energy Materials 2023. DOI: 10.1002/aenm.202300782
2. 汪國秀/王天奕AEM：表面和界面工程協(xié)同助力1萬次循環(huán)鈉電！
由于合金型負極具有較高的理論容量、合適的工作電位和豐富的地球儲量，因此在鈉離子電池（SIB）中顯示出巨大的應(yīng)用潛力。然而，它們的實際應(yīng)用由于體積膨脹大、固體-電解質(zhì)界面（SEI）不穩(wěn)定以及循環(huán)過程中反應(yīng)動力學(xué)遲緩而受到嚴重阻礙。
悉尼科技大學(xué)汪國秀、Xin Guo、揚州大學(xué)王天奕等合理地設(shè)計并合成了一個由氮摻雜碳包覆的錫納米棒（Sn@NC）組成的三維花狀結(jié)構(gòu)作為SIB的負極。密度函數(shù)理論（DFT）計算顯示，通過摻氮碳對錫納米棒的表面工程，大大改善了鈉親和力和鈉離子擴散動力學(xué)。更重要的是，研究發(fā)現(xiàn)基于二甘醇二甲醚（DEGDME）的電解質(zhì)具有顯著的化學(xué)穩(wěn)定性和優(yōu)化的溶劑化結(jié)構(gòu)，可以與N摻雜的碳層協(xié)同合作，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的有機-無機混合SEI，其外層是離子導(dǎo)電的聚醚，內(nèi)層是堅固的富氟無機化合物。SEI的構(gòu)成和復(fù)合結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性通過一系列的原位表征技術(shù)得到了全面的證明，包括深層X射線光電子能譜（XPS）分析、掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）。
此外，理論模擬和電化學(xué)分析顯示，與傳統(tǒng)的碳酸酯電解液相比，Sn@NC負極在基于DEGDME的電解液中的反應(yīng)動力學(xué)更快。因此，通過N摻雜碳層的表面工程和電解液調(diào)控的界面工程的協(xié)同作用，Sn@NC電極在5 A g-1下經(jīng)過10000次循環(huán)后仍能表現(xiàn)出347 mAh g-1的高容量。此外，Na3V2(PO4)3║Sn@NC的全電池表現(xiàn)出高能量密度（215 Wh kg-1）、卓越的高倍率能力（2分鐘內(nèi)達到80%的容量），以及在-20至50℃的寬溫度范圍內(nèi)的長循環(huán)壽命。
A High-Performance Alloy-Based Anode Enabled by Surface and Interface Engineering for Wide-Temperature Sodium-Ion Batteries. Advanced Energy Materials 2023. DOI: 10.1002/aenm.202300351
3. 中科院青能所Angew：氰基功能化使LiDFOB具有優(yōu)異的抗氧化性能
二氟硼酸鋰（LiDFOB）由于其良好的熱穩(wěn)定性和優(yōu)秀的鋁鈍化性能，已被廣泛研究用于鋰離子電池（LIBs）。然而，LiDFOB容易遭受嚴重的分解，并產(chǎn)生大量的氣體物種（如二氧化碳）。
中科院青能所崔光磊、許高潔、崔子立、Qiao Lixin等創(chuàng)新地合成了一種新型的氰基功能化硼酸鋰鹽，即二氟（1,2-二羥基乙烷-1,1,2,2-四碳腈）硼酸鋰（LiDFTCB），作為一種高抗氧化的鹽來緩解上述困境。研究顯示，在室溫和高溫下，1.6M的LiDFTCB-碳酸丙烯酯（PC）電解液使實用的LiCoO2/石墨（正極負載=15.6mg cm-2）全電池具有比1.6M的LiDFOB-PC的對應(yīng)物更優(yōu)越的電化學(xué)性能（例如，600次循環(huán)后達到80%）。
研究證實，LiDFOB鹽遭受了嚴重的分解，并在50℃時在高壓LiCoO2正極和石墨負極上誘發(fā)了厚的界面層的形成。與此形成鮮明對比的是，LiDFTCB鹽傾向于在兩個電極上形成薄而堅固的界面層，并防止了電池容量在50℃下的嚴重退化。更重要的是，當(dāng)LiDFTCB鹽在50℃下使用時，沒有檢測到二氧化碳氣體。這些結(jié)果強調(diào)了氰基功能化陰離子在提高實用鋰離子電池性能方面的意義。
Highly Oxidative-Resistant Cyano-Functionalized Lithium Borate Salt for Enhanced Cycling Performance of Practical Lithium-Ion Batteries. Angewandte Chemie International Edition 2023. DOI: 10.1002/anie.202302664
4. 陳衛(wèi)華Nat. Commun.：多尺度界面工程實現(xiàn)5700次循環(huán)鈉電正極！
非水鈉離子電池（SiBs）是一種可行的電網(wǎng)存儲的電化學(xué)儲能系統(tǒng)。然而，SiBs的實際發(fā)展主要受阻于正極活性材料（如多離子型鐵基硫酸鹽）在高電壓下的遲緩動力學(xué)和界面不穩(wěn)定性。
鄭州大學(xué)陳衛(wèi)華等提出了Na2.26Fe1.87(SO4)3的多尺度界面工程，其中體外異質(zhì)結(jié)構(gòu)和暴露的晶面被調(diào)整以改善鈉離子存儲性能。物理化學(xué)特性和理論計算表明，Na6Fe(SO4)4相的異質(zhì)結(jié)構(gòu)通過豐富鈉離子遷移通道和降低能量障礙，促進了離子動力學(xué)的發(fā)展。此外，Na2.26Fe1.87(SO4)3的(11-2)平面促進了電解液中ClO4-陰離子和氟代碳酸乙烯酯分子的吸附，從而在正極形成了一個無機物豐富的Na離子導(dǎo)電間相（CEI），進一步實現(xiàn)了正極/電解質(zhì)界面上的快速離子轉(zhuǎn)移和高電壓下的電解質(zhì)穩(wěn)定性。
因此，采用復(fù)合硫酸鐵基正極的鈉金屬電池在6 mA g-1時的初始放電容量為101.3 mAh g-1（電池的平均放電電壓約為3.75 V），并具有良好的倍率性能（73.5 mAh g-1，1200 mA g-1）和循環(huán)穩(wěn)定性（在60 mA g-1下進行1300次循環(huán)和600 mA g-1下進行5700次循環(huán)后，容量保持率分別為80.69和65.32%）。此外，一個實驗室規(guī)模的全硫化鐵鈉離子軟包電池在24 mA g-1時的初始比能量密度為168.2 Wh kg-1（基于正負電極的重量），并且可進行電極回收。
Bridging multiscale interfaces for developing ionically conductive high-voltage iron sulfate-containing sodium-based battery positive electrodes. Nature Communications 2023. DOI: 10.1038/s41467-023-39384-7
5. AFM：三碲化鋰電解液添加劑同時穩(wěn)定鋰負極并提高硫正極的利用率
盡管有可能成為下一代儲能技術(shù)，但實用的鋰硫（Li-S）電池仍然受到鋰金屬負極循環(huán)性差和硫物種轉(zhuǎn)換動力學(xué)遲緩的困擾。
德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校Arumugam Manthiram等采用簡單一步法合成了三碲化鋰（LiTe3），并將其用作Li-S電池的新型電解液添加劑，以調(diào)整電池的反應(yīng)動力學(xué)，并在電極表面引入SEI保護層。研究顯示，LiTe3能迅速與多硫化鋰反應(yīng)，并作為氧化還原介質(zhì)，大大改善正極動力學(xué)和正極活性材料的利用。此外，在負極表面形成的Li2TeS3/Li2Te富集的界面層增強了離子傳輸，穩(wěn)定了鋰的沉積。
通過調(diào)節(jié)負極和正極兩側(cè)的化學(xué)反應(yīng)，這種添加劑在傳統(tǒng)醚類電解液中濃度僅為0.1M就可以使無負極的Li-S電池穩(wěn)定運行。電化學(xué)性能顯示，采用LiTe3添加劑的電池在100次循環(huán)后能保持71%的初始容量，而對照組電池只保持23%。更重要的是，隨著Te的高利用率，該添加劑使無負極軟包全電池在貧電解液條件下的循環(huán)性能顯著提高。
Lithium Tritelluride as an Electrolyte Additive for Stabilizing Lithium Deposition and Enhancing Sulfur Utilization in Anode-Free Lithium–Sulfur Batteries. Advanced Functional Materials 2023. DOI：10.1002/adfm.202304568
6. 藺洪振/王健AM：”缺陷包單原子”催化劑加速Li+脫溶劑化動力學(xué)
鋰金屬負極由于其高容量和低電位，是實現(xiàn)高能量密度電池的一個有希望的候選者。然而，一些限制倍率的動力學(xué)障礙，如Li+溶劑化結(jié)構(gòu)的解溶劑化以釋放Li+，Li0成核和原子擴散，會造成不均勻的空間鋰離子分布和枝晶形態(tài)的形成，進而導(dǎo)致低庫侖效率和差穩(wěn)定性。
卡爾斯魯厄理工學(xué)院Stefano Passerini、中國科學(xué)院蘇州納米所藺洪振、王健等通過在鋰金屬上采用由缺陷單原子催化劑（SAC-in-Defects）組成的界面催化劑層，來促進Li+的脫溶劑化和Li0原子擴散動力學(xué)，并抑制枝晶的生長。作為SAC-in-Defects材料的原型，單個鐵原子被固定在陽離子空位豐富的硫化鈷（Co1-xS）納米顆粒上，分布在多孔碳（SAFe/CVRCS@3DPC）的三維結(jié)構(gòu)中，作為動力學(xué)的促進劑。通過SAFe/CVRCS@3DPC減少脫溶劑化和擴散障礙，大量游離的Li+離子被電催化地從Li+溶劑化復(fù)合物結(jié)構(gòu)中解離出來，并進行均勻的橫向擴散，從而實現(xiàn)了平滑的無枝晶鋰形態(tài)，這一點通過原位/外位聯(lián)合表征得到了全面的理解。
結(jié)果，改性的鋰金屬電極（SAFe/CVRCS@3DPC-Li）顯示了從復(fù)雜的脫溶劑化和原子擴散中快速生成自由Li+的能力，實現(xiàn)了平滑的、無枝晶的、長期的鋰沉積/剝離，循環(huán)壽命達到1600小時。此外，與高負載的LiFePO4正極（10.67 mg cm-2）相配，所獲得的全電池在0.5C下循環(huán)300次后，可提供131 mAh g-1的超高容量，展示了SAFe/CVRCS@3DPC的實際應(yīng)用可行性。
Interfacial “Single-Atom-in-Defects” Catalysts Accelerating Li+ Desolvation Kinetics for Long-lifespan Lithium Metal Batteries. Advanced Materials 2023. DOI: 10.1002/adma.202302828
7. 雷文/張海軍/謝正偉AFM：具有增強反應(yīng)動力學(xué)的類紅毛丹SiOC負極
碳氧化硅（SiOC）由于其可調(diào)的化學(xué)成分、高可逆容量和小的體積膨脹，在鋰離子電池中擁有巨大的潛力。然而，由于其導(dǎo)電性差，其商業(yè)應(yīng)用受到限制。
武漢科技大學(xué)雷文、張海軍、中國科學(xué)院成都有機化學(xué)研究所謝正偉等通過水熱處理結(jié)合CH4熱解策略，首次制備了平均直徑為302nm的紅毛丹狀垂直石墨烯涂層空心多孔SiOC（Hp-SiOC@VG）球狀顆粒。SiOC的中空多孔結(jié)構(gòu)減輕了Li+插入/提取過程中產(chǎn)生的體積膨脹效應(yīng)，垂直石墨烯增強了電子傳輸，而CH4熱解產(chǎn)生的碳增加了可逆的SiO3C和SiO2C2結(jié)構(gòu)單元。DFT計算證實，與SiOC3的對應(yīng)物相比，SiO3C和SiO2C2結(jié)構(gòu)對Li+的吸附能力更高。
因此，這種精心設(shè)計的結(jié)構(gòu)賦予了Hp-SiOC@VG優(yōu)異的電化學(xué)性能。特別是，Hp-SiOC@VG電極在1.0 A g-1的條件下提供了高的初始庫侖效率≈75%，經(jīng)過600次循環(huán)，具有335 mAh g-1的出色可逆容量和良好的倍率能力。此外，Hp-SiOC@VG//LFP全電池在0.2A g-1的條件下循環(huán)100次后也表現(xiàn)出了較高的可逆容量和保持率。這項工作不僅克服了傳統(tǒng)SiOC材料的制備復(fù)雜性，也克服了SiOC摻雜碳材料的改性限制，進一步拓寬了SiOC基材料在儲能裝置中的實際應(yīng)用。
On the Practical Applicability of Rambutan-like SiOC Anode with Enhanced Reaction Kinetics for Lithium-Ion Storage. Advanced Functional Materials 2023. DOI: 10.1002/adfm.202302348
8. AEM：離子液體作為高壓正極和固態(tài)電解質(zhì)之間的多功能界面層
鈉二次電池由于其低成本和環(huán)境友好性，作為未來的儲能設(shè)備獲得了贊譽，但由于大多數(shù)電解質(zhì)的陽極穩(wěn)定性較差，包括固態(tài)電解質(zhì)（SSE），其與高壓正極材料不兼容，因此受到嚴重阻礙。
圖1 固態(tài)電解質(zhì)的界面問題和陽極穩(wěn)定性以及解決策略示意
京都大學(xué)Jinkwang Hwang、Kazuhiko Matsumoto等首次報告了一種新的合成技術(shù)，即使用氟氫酸離子液體（IL）前體來制備具有高產(chǎn)和高純度的[DEME][PF6]（[DEME]+: N,N-二乙基-N-甲基-N-(2-甲氧基乙基)銨）。此外，作者配制了Na[PF6]-[DEME][PF6]IL，并進行了一系列的電化學(xué)測試，以驗證其在電池應(yīng)用中的性能。研究顯示，該發(fā)明的IL具有顯著的氧化穩(wěn)定性（在Pt上可達5.2V，在導(dǎo)電碳電極上>4.5V），有助于抑制一種典型的SSE的氧化分解，例如β氧化鋁固態(tài)電解質(zhì)（BASE），從而擴展其在混合SSE體系中的電化學(xué)窗口。
圖2 通過LSV對電解質(zhì)進行氧化穩(wěn)定性極限評估
此外，該IL還提供了鈉離子傳輸路徑，有助于減少BASE和正電極之間接觸不足所產(chǎn)生的界面電阻。結(jié)果，一個采用高壓正極Na3V2(PO4)2F3和BASE/IL配置的混合固態(tài)鈉二次電池具有能量密度和卓越的循環(huán)性能。該研究結(jié)果表明，在開發(fā)混合SSE電池時利用Na[PF6]-[DEME][PF6]IL電解質(zhì)并不局限于BASE和NPF正極，它也可以作為開發(fā)使用SSE的高電壓鈉金屬電池的通用策略。
A Hexafluorophosphate-Based Ionic Liquid as Multifunctional Interfacial Layer between High Voltage Positive Electrode and Solid-State Electrolyte for Sodium Secondary Batteries. Advanced Energy Materials 2023. DOI: 10.1002/aenm.202301020
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