1. Nature Sustainability：用于鈉離子電池的快充高電壓層狀陰極

鈉離子電池不僅由于與鋰相比鈉的豐度更高而在電網(wǎng)規(guī)模的儲能方面引起了極大的關注，而且由于其固有的更高的鈉離子遷移率而具有快充的可能性。然而，考慮到鈉離子氧化物材料的復雜結構化學，實現(xiàn)這些優(yōu)點的結合仍然是一項巨大挑戰(zhàn)。

圖1. O3型層狀氧化物的設計

浙江大學陸俊、荷蘭代爾夫特理工大學Marnix Wagemaker、趙成龍等打破了既定的觀點，通過合理的成分設計，開發(fā)了一種用于鈉離子電池的O3型Na_5/6Li_2/27Ni_8/27Mn_11/27Ti_6/27O₂層狀陰極。

該陰極具有顯著延長的循環(huán)壽命，在全電池中經過700次循環(huán)后80%的容量保持率證明了這一點，同時電壓衰減較小，并且能量和功率密度增強。對此負責的是P型特性的結合，特別是O3型結構中0.33 nm的大d（O?Na?O）層間間距。這種設計在充電過程中誘導了主要的P3型固溶體轉變，促進了高鈉離子擴散率，同時避免了在高電荷狀態(tài)下的有害過渡金屬遷移和相變。

圖2. 電化學性能研究

總體而言，這項工作利用層狀鈉離子氧化物的不同組成空間來調節(jié)結構化學，從而為鈉離子電池開發(fā)了一種新型陰極，該陰極表現(xiàn)出快充以及高平均工作電壓和容量保持率。結果表明，P3型主導固溶反應與TMO₂板之間開放的棱柱形Na離子擴散途徑是實現(xiàn)快速Na離子傳輸和優(yōu)異可逆性的原因。該工作所提出的設計策略有望促進經濟和綠色電極材料的發(fā)展，以實現(xiàn)高度可持續(xù)的高能量密度電池。

圖3. O3型鈉離子層狀陰極相變的分類

Fast-charge high-voltage layered cathodes for sodium-ion batteries. Nature Sustainability 2024. DOI: 10.1038/s41893-024-01266-1

2. AM：高效離子滲透網(wǎng)絡助力高性能全固態(tài)陰極

全固態(tài)鋰電池（ASSLBs）面臨著正極負載低和倍率性能差的嚴峻挑戰(zhàn)，這影響了其能量/功率密度。廣泛接受的高離子電導率和低界面電阻的目標似乎不足以克服這些挑戰(zhàn)。

圖1. 材料表征

中國海洋大學吳敬一、王煥磊和德克薩斯大學奧斯汀分校余桂華等發(fā)現(xiàn)陰極中的高效離子滲流網(wǎng)絡對ASSLBs的電化學性能具有更關鍵的影響?；诖?，作者提出了一種磁場誘導方法來控制固態(tài)復合陰極中Li_0.35La_0.55TiO₃納米線（LLTO NWs）的取向，從而在僅含有1 vol% LLTO NWs的高負載陰極中實現(xiàn)高效離子滲流。這種陰極結構設計解決了傳統(tǒng)陰極中離子傳輸高度迂回和過量添加固態(tài)電解質的固有問題。

圖2. 不同類型陰極中的電荷傳輸動力學

作為范例，固態(tài)磷酸鐵鋰（LFP）/鋰電池在60℃、2 C和5 C條件下的可逆放電容量分別為151 mAh g^-1和100 mAh g^-1。令人印象深刻的是，在2 C的快速充電倍率下，室溫比容量達到108 mAh g^-1。即使在LFP負載為20 mg cm^-2的條件下，電池也能達到3 mAh cm^-2的目標面積容量。

此外，該策略在LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂ (NCM)復合陰極中也得到了進一步證實，其倍率能力和容量保持能力都得到了增強。該工作提出的策略通過構建高效的離子滲濾網(wǎng)絡同時實現(xiàn)了快速離子傳輸和高能量密度，并將固態(tài)電解質降到最低，是實現(xiàn)高性能ASSLBs的可行解決方案。

圖3. LFP和NCM陰極的電化學性能

Efficient Ion Percolating Network for High-Performance All-Solid-State Cathodes. Advanced Materials 2024. DOI: 10.1002/adma.202312927

3. Angew：在MOF中限制聚合物電解質，獲得安全高性能全固態(tài)鈉金屬電池

圖1.?聚合物-in-MOF SICSPE合成的示意圖

中北大學胡勝亮、張錦芳、溫州大學侴術雷、昆士蘭大學Qingbing Xia等提出了一種聚合物-in-MOF單離子導電固態(tài)聚合物電解質（SICSPE）的概念設計，它能顯著提高固態(tài)鈉金屬電池的電化學性能。在這種設計巧妙的SICSPE中，作為Na⁺載體和傳輸介質的聚合物片段被現(xiàn)場限制在ZIF-8顆粒的納米孔中，并通過路易斯酸堿相互作用來實現(xiàn)。

這種獨特的聚合物-in-MOF SICSPE具有以下顯著優(yōu)點：（1）ZIF-8與聚合物片段之間強大的路易斯酸堿相互作用使Na⁺處于弱配位狀態(tài)，從而有效促進Na⁺解離，增加Na⁺遷移次數(shù)，改善Na⁺遷移；（2）ZIF-8顆粒內豐富的納米孔提供了定向有序的遷移通道，可促進Na⁺的快速遷移；（3）與電極之間良好的界面相容性確保了高度穩(wěn)定的電化學性能；（4）機械柔韌性有利于抑制Na枝晶的侵蝕生長。

圖2.?電解質的電化學特性

因此，聚合物-MOF SICSPE的σ_Na+增強值為4.01×10-4 S cm^-1，t_Na+為0.87，電化學穩(wěn)定窗口寬達4.89 V（vs. Na/Na⁺）。因此，采用聚合物-in-MOF SICSPE組裝的Na₃V₂(PO₄)₃//Na電池具有無枝晶的Na金屬表面、良好的倍率能力和出色的循環(huán)穩(wěn)定性，其在苛刻的工作條件下循環(huán)300次后可保持96%的容量。這種創(chuàng)新的MOF聚合物設計為推進高性能和安全的固態(tài)金屬電池技術提供了一種引人注目的策略。

圖3.?電化學性能研究

Confining Polymer Electrolyte in MOF for Safe and High-Performance All-Solid-State Sodium Metal Batteries. Angewandte Chemie International Edition 2024. DOI: 10.1002/anie.202318822

4. Angew：多電子氧化還原-雙極四硝基卟啉大環(huán)陰極用于高性能鋅-有機電池

雙極有機物融合了n/p型氧化還原反應的優(yōu)點，可用于制備更好的摻雜鋅-有機物電池（ZOBs），但由于活性單元密度低和單電子反應而面臨容量不足的問題。

圖1.?TNP的結構分析

同濟大學劉明賢等針對性地設計了雙極氧化還原四硝基卟啉（TNP）陰極，該陰極具有四個雙電子拉n-型硝基和雙電子推p-型胺基序，以激活多電子反應，從而徹底改變ZOBs的電化學指標。具體而言，這項工作闡明了TNP陰極的陰陽離子混合10e電荷存儲機制，其中包括Zn²⁺離子在低電位時與四個硝基位點的雙足結合，以及SO₄^2?在高電位時與兩個胺位點的配位。這種有利的雙極電化學有助于全面提高 Zn||TNP電池的性能，包括高放電容量、平均電壓和能量密度。

圖2.?電化學性能研究

因此，Zn||TNP電池獲得了高容量（338 mAh g^-1）、更高的平均電壓（1.08 V）和出色的能量密度（365 Wh kg^-1）。此外，擴展的π-共軛TNP大循環(huán)實現(xiàn)了在電解液中的抗溶解性，在10 A g^-1的條件下將電池壽命延長至50,000次循環(huán)，容量保持率達71.6%。這項研究拓展了多電子氧化還原雙極有機物的化學前景，可用于最先進的ZOBs。

圖3.?TNP的儲能機制

Multielectron Redox-Bipolar Tetranitroporphyrin Macrocycle Cathode for High-Performance Zinc-Organic Batteries. Angewandte Chemie International Edition 2024. DOI: 10.1002/anie.202401049

5. AFM：納米約束電解液實現(xiàn)可持續(xù)鈉離子電池

鈉離子電池（SIBs）因其低成本、豐富的上游資源以及與鋰離子電池兼容的制備工藝而被認為是大規(guī)模電化學儲能裝置的理想候選材料。然而，液態(tài)電解液中的高活性游離溶劑分子會在電極和電解液之間引發(fā)持續(xù)的界面副反應，從而降低SIBs的循環(huán)性能。

圖1.?普通液態(tài)電解液和MOF約束電解液的比較

南開大學張凱等首先利用具有1.1 nm均勻納米孔道的銅基金屬有機框架（Cu-MOF-74）作為SIBs電解液的約束骨架，以提供納米通道來物理約束溶劑，從而創(chuàng)造開放金屬位點（OMS）來與鈉鹽進行化學配位。通過DFT模擬和固態(tài)核磁共振（SSNMR）的結合，作者研究發(fā)現(xiàn)約束效應會促使電解液形成高度聚集的溶劑化結構，這有利于抑制電極-電解質界面副反應并提高電解液的熱穩(wěn)定性。

圖2.?電解液的溶劑化結構表征

因此，采用MOF約束電解液的Na₃V₂(PO₄)₃(NVP)正極實現(xiàn)了3000次循環(huán)的超長壽命和93%的容量保持率。此外，采用納米約束電解液的電池還能在60℃的高溫下工作600多次。這項研究提出了一種制備可持續(xù)SIBs的可行方法，也為解決電化學儲能系統(tǒng)中電解液和電極之間的副反應提供了指導。

圖3.?電化學性能研究

Nano-Confined Electrolyte for Sustainable Sodium-Ion Batteries. Advanced Functional Materials 2024. DOI: 10.1002/adfm.202314288

6. AFM：通過MOF涂層設計定制功能電池隔膜

隔膜是電池的關鍵部件，肩負著電池安全的重任。除了要求提高隔膜的阻燃性，人們對電池隔膜的附加功能也越來越感興趣。

圖1.?復合隔膜制備過程示意圖

浙江大學張漩、西南大學徐茂文等通過金屬有機框架的多功能性，為電池隔膜提出了一種多功能涂層集成策略。具體而言，這項工作設計了一種多功能、高安全性的MIP-202@2320復合隔膜，并將其集成到鋰硫電池中。

研究顯示，Cl-的存在和MIP-202的多孔結構賦予了由此產生的隔膜阻燃特性和高電解液保持率（80%）。此外，Cl-離子在通道內形成的帶負電荷的電子云可選擇性地阻止多硫化物向陽極遷移，同時促進Li⁺離子的移動。

圖2.?隔膜特性研究

因此，受益于上述優(yōu)勢，以MIP-202@2320為隔膜組裝的鋰硫電池在0.1C下的初始可逆容量高達1327 mAh g^-1，令人印象深刻。此外，在0.5C的放電倍率下循環(huán)600次后，電池保留了71.8%的容量，顯示出卓越的循環(huán)穩(wěn)定性，并具有出色的倍率性能（在3C時達到532 mA g^-1）。這種多功能集成策略不僅提高了鋰硫電池的性能，還為未來不同類型電池隔膜的設計開辟了新方向。

圖3.?鋰硫電池性能

Tailoring the Function of Battery Separators via the Design of MOF Coatings. Advanced Functional Materials 2024. DOI: 10.1002/adfm.202314246

7. Carbon Energy：液態(tài)金屬作為全固態(tài)電池中鋰金屬陽極的有效保護層

采用無機固態(tài)電解質的鋰金屬電池因其高能量和安全性，已成為電化學儲能設備中極具吸引力的候選產品。然而，鋰枝晶的有害生長和差的界面穩(wěn)定性等固有挑戰(zhàn)阻礙了它們的商業(yè)應用。

圖1.?LM-涂層鋰金屬電極的示意圖

哈爾濱工業(yè)大學（深圳）魏軍、Suzhu Yu、云南大學柳清菊等報告了一種液態(tài)金屬包覆鋰金屬（LM@Li）陽極策略，以改善鋰金屬與Li₆PS₅Cl無機電解質之間的接觸。

具體而言，通過在鋰金屬表面鍍上一層超薄的GaInSn，可有效實現(xiàn)鋰金屬和電解質界面的潤濕性和穩(wěn)定性。除了將界面結合在一起外，GaInSn還起到了隔離層和保護層的作用，將Li₆PS₅Cl電解質與鋰金屬陽極隔離開來，從而提高了電解液的耐用性，并防止鋰枝晶刺穿固態(tài)電解液。

圖2.?對稱電池性能

因此，LM@Li對稱電池在2 mA cm^-2條件下可穩(wěn)定進行1000小時以上的鋰沉積/剝離循環(huán)，在25℃條件下臨界電流密度高達9.8 mA cm^-2。此外，使用高容量復合LiNbO₃@LiNi_0.7Co_0.2Mn_0.1O₂(LNO@NCM721)正極組裝的全電池也顯示出穩(wěn)定的循環(huán)性能。這些見解為通過界面接觸改性開發(fā)高能全固態(tài)鋰金屬電池或其他儲能器件鋪平了道路。

圖3.?全電池性能

Liquid metal as an efficient protective layer for lithium metal anodes in all-solid-state batteries. Carbon Energy 2024. DOI: 10.1002/cey2.462

8. EES：通過功函數(shù)化學重新分配鋅離子通量，實現(xiàn)穩(wěn)定耐用的鋅金屬電池

鋅金屬基電池（ZMBs）因其高性價比和安全特性而被廣泛認為是一種前景廣闊的儲能設備，但不均勻的Zn²⁺沉積會促進枝晶的快速生長。

圖1.?四種氮化物的電化學和理論性質

揚州大學龐歡、電子科技大學劉興泉、香港理工大學趙景新等介紹了一種新穎的功函數(shù)化學策略，通過在商用玻璃纖維（GF）隔膜上包裹一系列氮化物（WN_0.67、VN、Mo₂N和NbN）來改善Zn²⁺通量和傳輸動力學。

密度泛函理論和實驗評估顯示，功函數(shù)較低的氮化物在重筑Zn²⁺通量和自發(fā)排斥有害SO₄^2-方面表現(xiàn)出更強的能力。此外，NbN@GF隔膜還能抑制副反應，促進(002)晶面的優(yōu)先取向，從而實現(xiàn)鋅金屬在水平方向的無枝晶生長，并實現(xiàn)約3,000小時的可逆鋅循環(huán)。

圖2.?鋅沉積形貌

結果，具有NbN@GF隔膜的Zn對稱電池在0.5 mA cm^?2/0.5 mAh cm^?2和低過電位（<35 mV）下實現(xiàn)了令人印象深刻的3000小時超長循環(huán)壽命。同時，改性的Zn//Mn₃O₄@C電池在2 A g^?1下經過4000次循環(huán)后可提供85.3%的容量保持率，同時即使在0.2 A g^?2的較低電流密度下400次循環(huán)后仍保持261 mAh g^?1的比容量。多功能氮化物改性隔膜的合理設計和提出的功函數(shù)化學策略為構建耐用ZMB提供了寶貴的指導。

圖3.?全電池性能

Redistributing Zinc-ion Flux by Work Function Chemistry toward Stabilized and Durable Zn Metal Batteries. Energy & Environmental Science 2024. DOI: 10.1039/d3ee04304e