1. ACS Energy Letters：雙網絡電極粘合劑在鋰硫電池中的應用

鋰硫（Li-S）電池因其高能量密度而被廣泛認為是最有前途的下一代儲能設備之一。然而，在實際應用之前，S正極的巨大體積變化和循環(huán)過程中的多硫化物穿梭造成的快速容量衰減問題仍有待有效解決。

在此，中國科學院青島生物能源與生物過程研究所崔光磊研究員、張煥瑞團隊開發(fā)了一種響應網絡/充填網絡混合（RCB）粘結劑，以解決鋰硫電池的瓶頸問題。所開發(fā)的粘結劑是通過將透明質酸（HA）水溶液和油性溶液與基于四唑基團的聚丙烯腈和聚乙二醇二疊氮化物共聚物簡單混合而制備的。

含有疏水系四氮唑基團的聚合物（稱為 PCP）在混合溶液中凝結，形成亞微米級的不規(guī)則球形域，作為類似肌絲的束縛網絡，而水溶性 HA 則構建了模仿骨骼肌筋膜的響應網絡；同時，所形成的響應網絡可通過離子鍵與 PCP 連接，協(xié)調束縛網絡之間的作用力。RCB 粘結劑具有優(yōu)異的機械匹配和粘結性能，因此能有效適應 S正極的巨大體積變化。此外，豐富的極性基團（如羧基、酰胺基、氰基和四唑基）使 RCB 粘結劑能夠通過強大的錨定效應有效捕獲多硫化鋰。

圖1. RCB 粘結劑在經歷應力加載/卸載時的雙重網絡結構示意圖

總之，該工作開發(fā)出了一種骨骼肌啟發(fā)的雙網絡粘結劑，可用于實用的Li-S 電池。所開發(fā)的粘結劑是通過簡單地混合 HA 水溶液和 PCP 油性溶液而制備的。研究表明，疏水系五氯苯酚聚合物在混合溶液中凝結，主要形成亞μm大小的不規(guī)則球形域，作為類似肌絲的束縛網絡，而水溶性 HA 的設計則模仿了骨骼肌的筋膜；同時，雙網絡之間形成離子鍵，有利于協(xié)調雙網絡之間的力/變形。

得益于這種仿生設計，RCB 粘結劑具有優(yōu)異的機械匹配性和粘結性，因此可以適應 S 正極的巨大體積變化。此外，RCB 粘結劑還能通過強大的錨定效應有效捕獲多硫化鋰。因此，使用有限的 RCB 粘結劑用量（占整個電極薄膜重量的 5 wt %）組裝的Li-S 電池在循環(huán)和速率性能方面都有顯著改善，即使在高 S 負載的情況下也能獲得優(yōu)異的電池性能。

圖2. 電池性能評估

Dual Network Electrode Binder toward Practical Lithium–Sulfur Battery Applications, ACS Energy Letters 2023 DOI: 10.1021/acsenergylett.3c01038

2. Carbon：原位生長的碳納米管連接 Fe/Cu-NC 多面體用于鋅空電池

Fe-N-C催化劑被認為是最有前途的氧還原反應（ORR）非貴金屬基催化劑，但其活性位點密度低和電子傳輸能力不足嚴重阻礙了其在燃料電池和金屬-空氣電池中的應用。

在此，中南大學劉洪濤教授，高小惠教授以及湖南師范大學楊亞輝等人將原位生長的碳納米管（CNTs）連接Fe/Cu-N-C多面體作為鋅-空氣電池（ZAB）應用的電催化劑。具體而言，得益于多面體高度暴露的活性位點、鐵銅誘導原位生長的碳納米管以及鐵、銅雙金屬對吸附/解吸能量的協(xié)同優(yōu)化，Fe/Cu-N-C電催化劑表現出卓越的氧還原性能。

Fe/Cu-Nx 催化中心的超高活性不僅歸功于高含量的吡啶和石墨N，還歸功于鐵原子中心周圍增強的電子密度。結果表明，基于Fe/Cu-N-C的ZAB在峰值功率密度、比容量、能量密度和循環(huán)穩(wěn)定性方面遠遠優(yōu)于基于Pt/C的商用 ZAB。

圖1. 作用機制

總之，該工作通過設計并研究碳納米管連接的多面體Fe/Cu-N-C ORR電催化劑。其中多面體結構可暴露更多的活性位點，碳納米管可以顯著加強多面體顆粒之間的電子傳輸。與Fe-N-C、Cu-N-C和商用Pt/C催化劑相比，Fe/Cu-N-C在KOH水溶液中表現出最佳的ORR電催化能力。通過組裝可充電ZAB并測試表明，使用Fe/Cu-N-C ORR催化劑的ZAB遠遠優(yōu)于使用商用Pt/C ORR催化劑的ZAB。

因此，通過擴大這種全新的碳納米管連接多面體Fe/Cu-N-C催化劑的規(guī)模，該催化劑有望實現在商業(yè)ZAB應用中替代貴金屬催化劑。

圖2. Fe/Cu-N-C 和 Pt/C 作催化劑的 ZAB的電池性能

In-site grown carbon nanotubes connecting Fe/Cu-N-C polyhedrons as robust electrocatalysts for Zn-air batteries, Carbon 2023 DOI: 10.1016/j.carbon.2023.118365

3. Advanced Materials：二維非晶硒化鐵硫化物納米片用于穩(wěn)定快速鈉離子存儲

鈉離子電池（SIB）由于鈉離子的離子半徑相對較大，因此電極體積變化大，氧化還原動力學緩慢，這對提高其長期循環(huán)性和倍率性能提出了巨大挑戰(zhàn)。

在此，國際伊比利亞納米技術實驗室 (INL) Guo Tianqi團隊通過簡便的濕化學方法成功合成二維非晶硒化鐵硫化物納米片并將其用作鈉離子電池負極材料。該納米片的超薄結構可提供豐富的活性位點，從而提高電極材料的容量和活性。非晶與二維結構的合理結合協(xié)同作用，有助于實現良好的鈉離子存儲。

圖1. 二維 a-FeSeS NSs 的結構和形態(tài)特征

總之，該工作采用簡單的濕化學方法合成了新型二維a-FeSeS NSs。結果表明，所制備的電極具有高效的Na⁺儲存性能，在 1 A g^-1電流密度下的容量為 528.7 mAh g^-1，并且具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性，這歸功于非晶結構、S/Se 共配位和二維形態(tài)的協(xié)同效應。在 10 A g^-1的電流密度下循環(huán) 10000 次后，電極的容量仍能保持在 300.4 mAh g ^-1的水平。

作者進一步證明，這種二維a-FeSeS NSs在儲能過程中表現出出色的結構穩(wěn)定性、可忽略的體積膨脹、高效的可逆反應和高電化學動力學。這些發(fā)現為應用二維非晶化策略修飾陰離子提供了可行性，從而為制造具有超高性能和穩(wěn)定性的下一代電極材料建立了一個新平臺。

圖2. 使用 a-FeSeS 電極的鈉離子全電池的性能

Two-dimensional Amorphous Iron Selenide Sulfide Nanosheets for Stable and Rapid Sodium-ion Storage, Advanced Materials 2023 DOI: 10.1002/adma.202306577

4. Energy & Environmental Science：四電子轉換能力的三元水合共晶電解質助力先進Zn-I₂全電池

目前，基于單一轉化反應（I₂/I^?）的Zn-I₂電池的能量密度和輸出電壓仍不夠理想，從而嚴重阻礙了其快速發(fā)展。

在此，華東師范大學劉少華教授團隊提出了一種新穎的電解質設計策略，將低成本的水合鹽和無害的中性配體（二甲基砜和煙酰胺）進行簡單的配方混合。由此產生的三元水合共晶電解質可實現 2I^–/I₂/2I⁺氧化還原偶的四電子轉換和鋅的均勻沉積，從而實現幾乎創(chuàng)紀錄的 Zn-I₂全電池性能。

圖2. ZTEs 和 ZW 電解質中 Zn/Zn²⁺的沉積/剝離電化學性能

總之，該工作通過對成本低廉的鋅基水合鹽和無害的中性配體（二甲基砜和煙酰胺）進行簡便的配方調整，開發(fā)出了一種新型的鋅離子三元水合共晶電解質。研究結果顯示，Zn²⁺ 和吡啶/S=O 基團之間強烈的離子-偶極相互作用引發(fā)了深共晶效應。優(yōu)化后的 ZTE 可實現 2I^–/I₂/2I⁺ 氧化還原偶的高度可逆轉換，并伴隨著四電子轉移，形成穩(wěn)定的 [I(NA)₂]⁺ 成分，從而使傳統(tǒng)碘電池的比容量翻倍，并提高了先進 Zn-I₂ 電池的能量密度。

此外，中性配體的親鋅效應和 Zn²⁺ 的獨特溶劑化鞘結構與 H₂O 的氫鍵鎖定，有利于均勻沉積和抑制鋅負極的腐蝕和鈍化。這些獨特的優(yōu)點賦予了 Zn-I₂ 全電池高容量（0.5 A g^-1 時為 412 mAh g^-1）、優(yōu)異的速率性能和出色的安全性。此外，ZTEs電池的低成本和環(huán)保特性使其在大規(guī)模應用方面具有優(yōu)勢和巨大潛力。由此可見，這些發(fā)現為高能量密度 Zn-I₂ 電池開辟了新方向。

圖2. Zn負極結晶重新定向的調節(jié)功能和機制

Designing Ternary Hydrated Eutectic Electrolyte Capable of Four-Electron Conversion for Advanced Zn-I2 Full Batteries, Energy & Environmental Science 2023 DOI: 10.1039/d3ee01567j

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5. Energy & Environmental Science：超共形化學機械穩(wěn)定正極界面用于寬溫高能全固態(tài)電池

富鎳層狀氧化物的全固態(tài)鋰電池（ASSLB）存在固-固界面問題，尤其是在正極側，從而導致界面?zhèn)鬏攼夯托阅芸焖偻嘶?/span>

在此，吉林大學杜菲教授、姚詩余副教授等人報告了一種變革性的機械策略，即在富鎳層狀金屬氧化物和鹵化物固體電解質（SE）之間建立超共形（Ultraconformal）正極界面。具體而言，作者采用機械工程方法，在復合正極中形成均勻且超共形的互穿網絡，該網絡表現出強大的機械性能，具有高模量和硬度，可承受化學機械變形。具有超共形界面的復合正極顯示出優(yōu)異的機械性能，具有很高的楊氏模量和維氏硬度，從而顯著抑制了化學機械變形，促進了鋰離子和電子的界面?zhèn)鬏敗?/span>

圖1. m-NCM@Li₃InCl₆、 s-NCM@Li₃InCl₆和 B-NCM@Li₃InCl₆正極的結構表征

總之，該工作展示了一種簡便的球磨策略，通過在 NCM 和 Li₃InCl₆之間建立超共形界面，顯著提高了復合正極的電化學性能。這種合理的界面工程能夠形成 NCM 和 Li₃InCl₆的連續(xù)互穿網絡，從而克服了傳統(tǒng)的固-固接觸問題。復合正極的機械特性首次被揭示為在侵蝕性化學機械驅動力下形成超形正極界面的關鍵。得益于超共形物理接觸，具有超共形正極界面的 B-NCM@Li₃InCl₆電極具有最佳的電化學性能，在 0.1C 時的容量為 216.4 mA h g^-1，初始庫侖效率為 91.6%。

此外，即使在零下 20 攝氏度的低溫條件下，ASSLB 仍能提供 118.4 mA h g^-1的容量。這些出色的性能可歸功于復合正極中卓越的界面動力學性能，在循環(huán)過程中不會出現微裂縫和空隙，從而為電子和離子傳輸提供了有效的途徑。

圖2. m-NCM@Li₃InCl₆、s-NCM@Li₃InCl₆和 B-NCM@Li₃InCl₆正極的全電池性能

Ultraconformal chemo-mechanical stable cathode interface for high-performance all-solid-state batteries at wide temperatures, Energy & Environmental Science 2023 DOI: 10.1039/d3ee01551c

6. Science Advances：超分子電解質實現固態(tài)電池閉環(huán)正極回收

將固態(tài)電池（SSBs）分解為物理分離的正極和固體電解質顆粒仍然很密集，用回收材料再制造正極和隔膜也是如此。

在此，勞倫斯伯克利國家實驗室Brett A. Helms團隊設計了超分子有機離子（ORION）電解質，該電解質在電池工作溫度（-40°至45°C）下是粘彈性固體，但在100°C以上是粘彈性液體，這使得能夠制造高質量的SSB并在壽命結束時回收其正極。具體而言，與鋰金屬負極和LFP或NMC正極一起使用ORION電解質的SSB在45°C下運行了數百次循環(huán)，容量衰減小于20%。

此外，使用低溫溶劑工藝，將正極從電解質中分離出來，并證明重構后的電池恢復了90%的初始容量，并在以84%的容量保持率維持100次循環(huán)。

圖1. ORION 導體的MD模擬

為了證明Li|ORION|LFP的直接正極回收潛力，作者以40 μA cm^?2的電流密度進行循環(huán)，直到容量保持率為初始容量的~90%。然后拆卸電池并將LFP正極浸入DME中以溶解超分子固態(tài)離子導體。將該正極重新組裝成回收的Li|ORION|LFP電池，并再次在40 μA cm^?2下對其進行可逆循環(huán)。與直接正極回收之前的容量相比，回收的ORION電池的初始容量約為90%。

值得注意的是，與重構電池第二次循環(huán)的容量相比（假設第一次循環(huán)是化成循環(huán)），回收的LFP正極在100次循環(huán)后表現出84%的容量保留率。回收前的容量衰減率為每個循環(huán)-0.14%，而回收后的容量衰減率為每個循環(huán)-0.19%。因此，直接正極回收實現了與原始LFP正極的衰減率、容量保持率和基本庫侖效率相似的長循環(huán)性能。

圖2. 電池性能和閉環(huán)正極回收

Closed-loop cathode recycling in solid-state batteries enabled by supramolecular electrolytes, Science Advances 2023 DOI: 10.1126/sciadv.adh9020

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7. Energy Storage Materials：調節(jié)不可燃、局部高濃度電解質中的溶劑化結構，增強鋁基K電池穩(wěn)定性

低氧化還原電位的金屬鉀或石墨負極是鉀離子電池(PIBs)負極材料的理想選擇，但由于有效鈍化層的匱乏，在負極表面連續(xù)的還原反應所引起的容量衰減是不可避免的。此外，由于活性負極與可燃電解質的使用，PIB的發(fā)展面臨潛在的安全隱患。

在此，深圳大學秦磊教授、四川大學肖丹教授等人通過將高氟醚的低極性助溶劑添加到雙氟磺酰亞胺/三甲基磷酸鉀溶液中，制備了一種阻燃局部高濃度電解質(LHCE)。在LHCE中，獨特的電解質溶劑化環(huán)境增強了陰離子與陽離子之間的相互作用，促進了具有自加速界面動力學陰離子衍生固體電解質界面(SEI)的形成，與傳統(tǒng)的碳酸鹽基電解質相比，最大限度地減少了SEI溶解。

結果顯示，未改性的Al基底可以保持3400 h以上（超過800次循環(huán)）的穩(wěn)定循環(huán)且具有高可逆性（98%），并且石墨負極保持了長時間的循環(huán)穩(wěn)定性（超過300次循環(huán)），具有高可逆容量（257.6 mAh g^?1）和容量保持率（0.2C時為92.6%）。

圖1. K/Gr半電池的電化學性能

總之，該工作為在Al基底上實現K電鍍/剝離和Gr中的K儲存，配制了一種不易燃的LHCE。LHCE不僅展示了HCE在初級溶劑化鞘中強烈的陰陽離子相互作用的特點，而且表現出LCE的低成本。同時，LHCE在5.2 V以上（相對于 K/K）表現出高抗氧化性，并且由于初級溶劑化鞘中的游離溶劑較少，因此抑制了Al腐蝕。

受益于SEI形成過程中FSI++?陰離子優(yōu)先分解以及TMP_LHCE中無法形成溶劑化電子，所產生的均勻且穩(wěn)定的SEI可以鈍化反應性K和K-GIC負極，且SEI溶解量更少。通過對K/Al半電池的界面動力學分析，在K負極上發(fā)現了自活化SEI過程，初始循環(huán)后K循環(huán)過電位和SEI電阻均降低，對相間穩(wěn)定有很好的意義。

最后，該工作進一步展示了由K-GIC或K金屬負極和PB正極組成的所有基于鋁集流體的全電池的概念驗證，并突出了良好的循環(huán)性能和高CE可逆性。因此，該項工作有望促進對電解質溶劑化化學的更好理解，并推動用于安全和高性能K電池的不易燃電解質系統(tǒng)的開發(fā)。

圖2.全電池性能

Tunning solvation structure in non-flammable, localized high-concentration electrolytes with enhanced stability towards all aluminum substrate-based K batteries, Energy Storage Materials 2023 DOI: 10.1016/j.ensm.2023.102923

8. Nano Letters：自清潔首層溶劑化鞘層用于穩(wěn)定高鎳正極電極電解質界面

在商用LiPF₆-EC/DEC電解質中，EC脫氫產生的質子物種將進一步與LiPF₆反應，在正極表面生成不利的PF₃O與Li_xP_yF_z物種。通常引入電解質添加劑在正極表面生成保護性正極電解質界面。這種界面“被動地”阻隔HF等酸性物質但并不能有效緩解電解質/正極界面副反應。

在此，天津大學孫潔教授，Han xinpeng等人提出一種新策略，即通過首層溶劑化鞘層調控賦予電解質自清潔功能，有效清除電解液中的活性有害物質并進一步穩(wěn)定正極電解質界面。

這種溶劑化鞘層具有以下優(yōu)勢：首先，首層溶劑化鞘層表現出對HF與PF₅較高的溶劑化能及所生成新的溶劑化鞘層具有較高的抗氧化性；其次，新的溶劑化鞘層在高鎳正極表面生成穩(wěn)定的固態(tài)電解質界面，有效抑制過量LiPF₆降解引起的界面副反應。該策略可穩(wěn)定高鎳正極/金屬鋰半電池與高鎳正極/石墨全電池體系。

圖1. 高鎳正極表面LiPF₆基電解質自催化降解與鹽降解以及首層溶劑化鞘層調控示意圖

總之，該工作提出一種新策略即通過調控電解質首層溶劑化鞘層賦予電解質自清潔功能，有效清除電解質中活性有害組分并進一步穩(wěn)定正極電解質界面?；诖藰嬛母哝囌龢O/金屬鋰半電池與高鎳正極/石墨全電池具有更佳的循環(huán)性能。有效的自清潔策略將推動具有獨特物化性質的先進電解質的研究，為下一代高性能鋰離子電池提供潛在的研究途徑。

圖2. 高鎳正極/石墨全電池循環(huán)性能

Self-Purifying Primary Solvation Sheath Enables Stable Electrode–Electrolyte Interfaces for Nickel-Rich Cathodes, Nano Letters 2023 DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c01679