8篇电池顶刊：陈忠伟、潘锋、索鎏敏、吴英鹏、王建涛、周磊、李秋红等成果！

1. AEM：超快、超长寿命可充锌电池，1.7万次循环容量保持99.2%！

尽管具有成本低、安全、环境友好和内在的不可燃性等优势，但水系可充锌基电池的广泛应用一直被其低库仑效率、锌基负极上臭名昭著的枝晶生长以及正极的快速容量衰减所阻碍。

加州大学Richard B. Kaner、塔比阿特莫达勒斯大学Mir F. Mousavi等首次展示了一种高性能和超长寿命的锌基超级电池。

图1 ZMG||LDHS超级电池的示意图和工作原理

具体而言，该电池由接枝在石墨烯气凝胶（GA）纳米复合材料上的混合ZnCO₃和MnCO₃（ZnCO₃MnCO₃）作为负极（阳极），硫化镍钴铁层状双氢氧化物（LDHS）作为正极（阴极）。受益于所开发的电极活性材料更好的导电性和更高的电活性，当在三电极电池配置中进行研究时，ZnCO₃ MnCO₃@GA(ZMG)纳米复合材料和LDHS电极表现出出色的比容量和优异的倍率性能，以及类似电池和电容的组合行为。

图2 三电极电池装置中负极的电化学研究

因此，所制备的ZMG||LDHS超级电容器-电池混合装置（超级电池）显示出优异的性能，包括容量（12 A g^-1时为356 mAh g^-1_阴极）、倍率能力（300A g^-1时108 mAh g^-1_阴极）、比能量（568 Wh kg^-1_阴极）、比功率（429 kW kg^-1_阴极）、在100%的放电深度下经过17000次循环后容量保持（CR，99. 2%）和库仑效率（CE，96.4%）。突出的高能量和高功率性能归功于电极活性材料的有利结构特征和各组成元素之间的协同效应以及负极的赝电容特性，这种储能装置超过了以前报道的大多数锌基储能装置。

图3 ZMG||LDHS装置的电化学表征

Super-Fast and Super-Long-Life Rechargeable Zinc Battery. Advanced Energy Materials 2022. DOI: 10.1002/aenm.202202784

2. 陈忠伟院士/王新/王建涛AEM：基于二维MOF的高性能锂硫电池！

锂硫电池因其极高的能量密度而受到广泛关注。尽管如此，它们的实际实施仍然受到多硫化物的穿梭效应和缓慢的转化动力学的阻碍。

滑铁卢大学陈忠伟院士、华南师范大学王新、国联汽车动力电池研究院王建涛等合理设计了具有丰富活性边缘的多孔二维缺陷沸石咪唑酯骨架-7（ZIF-7）作为锂硫电池的多功能硫载体。

图1 材料制备及表征

研究显示，孔的产生暴露了丰富的活性位点，然后在孔边缘引入N缺陷形成活性边缘，调节了ZIF-7的电子结构。因此，ZIF-7的催化活性和电导率得到了很大的提高，可以保证多硫化物（LiPSs）的固定化能力，并促进硫的氧化还原动力学。此外，在制备过程中会产生少量的ZnO，这不仅可以增强多硫化物的吸附，还可以进一步提高样品的电导率。因此，所制备的ZIF-7 600可以直接用作锂硫电池的多功能主体材料，有利于提高锂硫电池的实际能量密度。此外，二维ZIF-7可为Li₂S的沉积提供大表面积。

图2 对LiPSs的吸附

因此，Li-S 电池显示出令人惊讶的实用前景，在1 C下经过500次循环后的稳定容量为676.9 mAh g^-1（容量保持率=72.3%）。当组装成2.3 mg cm^-2的软包电池时，在0.1 C下循环100次后仍具有901.1 mAh g^-1的高容量。总体而言，这项工作展示了一种多功能正极，可以防止穿梭效应，增强LiPSs的反应动力学，并促进先进Li-S电池的进一步发展。

图3 Li-S电池性能

Creating Edge Sites within the 2D Metal-Organic Framework Boosts Redox Kinetics in Lithium–Sulfur Batteries. Advanced Energy Materials 2022. DOI: 10.1002/aenm.202201960

3. 吴英鹏/黄璐AFM：通过同步反应-扩散-组装在锂液态金属上人造SEI

固体电解质界面（SEI）被认为是抑制锂枝晶的有效方法。然而，由于锂与电解质之间的界面不确定，大多数构建的SEI薄膜通常不均匀且不致密，最终无法保护锂负极。

湖南大学吴英鹏、黄璐等利用液态锂的超高化学活性、原子级平滑度和流动性，当熔融锂与基板发生表面反应时，通过自扩散和组装成功地形成了稳定的人造SEI薄膜。

图1 RSD和SML（soaking of molten Li）模式的示意图和特性分析

这项工作阐明了从固液界面到表面的动态形成机制（Diff-out和Diff-in），这与传统的SEI形成方法不同。通过调节反应产物在锂液态金属上的自扩散（称为RSD路线），可获得稳定、致密的SEI膜，这是由液态锂的表面浓度差和流体动力学驱动的。RSD可以看作是一条内外路径，不仅可同步实现集成电极，而且有利于形成致密/稳定的SEI膜。

图2 自扩散机理分析与验证实验

在此基础上，作者制备了X基SEI（X为S或O）薄膜，其在全电池中表现出优于SML（soaking of molten Li）和未处理锂负极的优势。结果，基于O基SEI薄膜的Li||LCO电池在2 C下经过1000次循环后具有约93%的超高保持率。对于S基SEI薄膜，即使在高负载(>10 mg cm^-2)时，基于LFP的全电池在1 C下循环400次后，容量保留率仍可保持在≈95%。总之，这种策略不仅利用液态金属锂的表面张力渗透到三维材料中（集成电极），而且还重视来自亲锂基质（优化的SEI薄膜）的副产品的扩散和组装，指出了熔融锂策略的补充和促进观点。

图3 对称和全电池的循环性能

Artificial SEI Film via Synchronous Reaction-Diffusion-Assembly on Li Liquid Metal. Advanced Functional Materials 2022. DOI: 10.1002/adfm.202206405

4. 江苏大学周磊等AEM：锂硫电池中的硫还原反应：机理、催化剂和表征

锂硫电池由于具有非凡的理论比能量密度、丰富的资源、环境友好和高安全性等优点，是先进电池系统中最有前景的替代品之一。然而，缓慢的硫还原反应（SRR）动力学导致硫的利用率较差，这严重阻碍了锂硫电池的电化学性能。揭示潜在的反应机制并加速 SRR 动力学至关重要。

江苏大学周磊、埃因霍芬理工大学Peter H. L. Notten等回顾了锂硫电池中SRR的关键问题。首先介绍了硫还原的转化机制和反应途径，以概述SRR。随后，详细总结了可加速SRR动力学的催化剂材料的最新进展，包括碳、金属化合物、金属和单原子。此外，还讨论了SRR的各种表征方法，可分为三类：电化学测试、光谱技术和理论计算。最后，进行了总结，并提出了未来研究SRR机理和催化剂活性的几个关键点。总体而言，这篇综述提供了关于锂硫电池SRR的前沿见解。

图1 SRR在放电过程中的转换机制示意图

在这篇综述中，作者系统地总结了锂硫电池中SRR的关键问题。硫还原的转化机理和反应途径，对应于两个阶段：从硫到多硫化物的固液还原和Li₂S 沉积。前者呈现出相对容易的转化过程，而后者需要克服高能垒，导致动力学缓慢。因此，Li₂S沉积过程可以被认为是整个SRR的速率决定步骤。反应机理和动力学强烈依赖于溶剂体系和电极结构，这一事实为探索和设计用于增强SRR动力学的高效催化剂提供了有希望的机会。因此，作者讨论了SRR催化剂材料的最新进展，理想的催化剂应具有良好的导电性、对硫物质的适当吸附和丰富的催化位点，此外，催化剂的高结构稳定性是延长电池循环寿命的先决条件。

图2 碳基催化剂

尽管在设计更好的SRR催化材料方面取得了巨大进展，但目前的四类催化剂由于其固有的特性，仍未解决SRR的基本问题。各种催化材料的优缺点总结如下：

碳基催化剂具有较大的比表面积，有助于硫物质的均匀吸附，并为不溶性Li₂S₂/Li₂S的沉积提供足够的空间。良好的导电性有利于电荷转移和SRR动力学。有利的可调结构和形态使碳基催化剂能够实现有效的化学调制/掺杂，从而进一步提高SRR的催化活性。此外，碳基材料的制造策略简单、成本低，显示出巨大的商业化潜力。其主要缺点是碳原子固有的化学惰性，由于化学吸附较弱，纯碳对SRR几乎没有催化作用，但这可以通过结构调节来改善。掺杂杂原子（如N、P、B和S）的引入会显著改变碳的电子结构。

图3 金属化合物催化剂

与碳相比，金属化合物催化剂对SRR表现出不同的催化性能。一方面，金属化合物对硫物质具有有效的化学吸附作用，这对催化反应至关重要。另一个优点是金属化合物表面有丰富的活性位点，这显著扩大了催化剂活性。然而，一些金属化合物，如氧化物，表现出相对较低的电导率，阻碍了SRR的电荷转移动力学。已经开发了一系列策略，例如异质结构、形态优化和缺陷工程来提高催化活性。此外，某些金属化合物的化学吸附过强对SRR的解吸过程有害，因为相互作用可能会破坏硫物质的结构并导致活性材料的损失。

图4 金属催化剂

金属催化剂对SRR表现出优异的催化活性。由于小尺寸效应，金属纳米颗粒通常具有相对较高的表面能，这一优势有利于催化反应过程中硫物质的化学吸附和活化，从而降低了硫还原的反应障碍。此外，它们良好的导电性加速了硫物质的转化动力学。一些贵金属（例如Pt和Ir）、过渡金属（例如 Fe、Co和Ni）和合金已被引入到 Li-S 电池中。降低金属催化活性的主要问题是结构稳定性。金属纳米粒子可能的团聚限制了活性位点的充分暴露。金属催化剂的另一个缺点是成本，由于一些贵金属价格昂贵，因此它们的大规模应用受到限制。

图5 单原子催化剂

单原子作为新兴催化剂在加速SRR动力学方面表现出相当大的潜力。单原子催化剂可以最大限度地提高原子利用效率，实现活性位点的充分暴露。单原子催化剂的充分利用将产生更高能量密度的锂硫电池。此外，单原子催化剂中的金属含量相对较低，与金属相比，大大降低了应用成本。具有挑战性的问题是高质量单原子催化剂的复杂制备，因为单原子显示出很高的聚集趋势。此外，单原子催化剂在电池循环过程中的结构稳定性仍不清楚。

Sulfur Reduction Reaction in Lithium–Sulfur Batteries: Mechanisms, Catalysts, and Characterization. Advanced Energy Materials 2022. DOI: 10.1002/aenm.202202094

5. 牛津大学JACS：由CO2衍生的嵌段聚合物电解质优于PEO

设计具有电化学、机械和化学特性特定组合的聚合物可以帮助克服下一代储能设备的实用全固态电池的挑战。在包含活性正极材料、无机固态电解质和碳的复合正极中，电池寿命受到充放电时发生的活性粒子体积变化的限制。为克服这个问题，需要施加不切实际的高压来维持界面接触。

牛津大学Georgina L Gregory、Mauro Pasta、Peter G Bruce 、Charlotte K Williams等设计了一种结合了离子电导率、电化学稳定性和合适弹性体机械性能（包括粘附性）的嵌段聚合物。

图1 材料制备及表征

这项工作的策略是针对定义明确的ABA型三嵌段聚合物，包括聚碳酸酯(PC)和聚环氧乙烷(PEO)嵌段。其中，PEO被选为“B”中段，因为它可能是迄今为止最成功的离子导电聚合物，因为它具有无与伦比的溶剂化各种锂盐的能力。通过与锂离子络合和氧原子之间跳跃的离子传输是得益于其高链柔韧性和低玻璃化转变温度（Tg∼-64 °C）。在这里，作者设计了具有外部A嵌段的嵌段聚合物，它是通过CO₂与4-乙烯基环己烯氧化物(vCHO)的交替开环共聚(ROCOP)制备的刚性聚碳酸酯(Tg∼100°C)。除了为优化机械性能提供网络站点外，这些片段还应最大限度地提高导电性和无机材料的兼容性，因为它们是含氧的和极性的。从可持续原材料的角度来看，直接加入CO₂作为原材料也可能是可取的。此外，使用控制良好的ROCOP化学可以很好地控制组成、摩尔质量和链端基团，以调节离子传输性能。每个A嵌段重复单元上的乙烯基取代基也允许安装化学官能团定制界面粘附力，因此，将膦酸官能团安装在聚碳酸酯中以提高粘结性能。

图2 不同嵌段聚合物的物化性能

结果，所得材料表现出10^-4 S cm^-1的环境离子电导率、t_Li+为0.3-0.62的锂离子传输、>4 V vs Li⁺/Li的氧化稳定性以及G’为0.1-67 MPa的弹性体或塑性体特性。当所得最好的嵌段聚合物用于具有LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O₂活性材料和Li6PS5Cl固态电解质的复合正极时，与不含该聚合物或采用商业聚电解质的同等电池相比，所得固态电池的容量保持率更高。

图3 固态电池性能

Buffering Volume Change in Solid-State Battery Composite Cathodes with CO2-Derived Block Polycarbonate Ethers. Journal of the American Chemical Society 2022. DOI: 10.1021/jacs.2c06138

6. 索鎏敏/冯光 AM：耐3.23V的低浓度（13.8 m）盐包水电解液

高浓度盐包水（WIS）电解液扩大了水系电解液的稳定电化学窗口，促使了高电压（2V以上）水系锂离子电池（ALIBs）的出现。然而，ALIBs的高锂盐浓度电解液会导致其高成本和差动力学性能。因此，对于ALIBs来说，探索具有适当浓度的水系电解液以平衡电化学窗口、动力学性能以及成本是一个挑战。

中国科学院物理研究所索鎏敏、华中科技大学冯光等将少量的疏水阳离子引入到更低浓度的电解液（13.8 m），发现与WIS电解液相比，采用这些浓度较低电解液的ALIBs拥有兼容的稳定电化学窗口（3.23V），并实现了更好的动力学性能。

图1 疏水阳离子筛（HCS）的界面构建

这些发现源于添加的阳离子，它们形成了一个电场强化的疏水阳离子筛（HCS），从而将水阻挡在负极之外，并抑制了析氢反应。具体而言，四乙基铵⁺（TEA⁺）被选为疏水性阳离子来证明HCS的概念。正如分子动力学（MD）模拟所显示的，极化越负，HCS-ACE（在13.8 m LiTFSI中加入5wt%的TEA⁺）中越多的TEA⁺离子聚集在负极上，形成更强HCS。因此，更多的界面水分子减少，表明了HCS的电场强化效应。这项工作首次揭示了添加的疏水阳离子（TEA⁺）从分子角度调节了负极界面的电子双层（EDL），因此降低了水系电解液的浓度。

图2 负极处的界面结构

此外，与普通的WIS电解液相当（21 m），HCS-ACE可以达到3.23V的电化学窗口。重要的是，在疏水的TEA⁺的帮助下，盐的浓度大大降低，因此HCS-ACE的成本大大降低，同时表现出优异的物理化学行为，包括低粘度（25˚C时为18cP）、高离子传导率（22 mS/cm）和低液态温度（-10.18˚C），这有利于提高ALIBs的动力学和温度耐受性。

图3 HCS-ACE的倍率能力和低温性能

Electric-field-reinforced Hydrophobic Cationic Sieve Lowers the Concentration Threshold of Water-in-Salt Electrolytes. Advanced Materials 2022. DOI: 10.1002/adma.202207040

7. 厦大李秋红EnSM：亲钠MoS₂修饰的碳纳米纤维实现8000次稳定Na沉积

金属钠由于其低成本和高容量，是下一代电池最有前景的负极材料之一。然而，不均匀的钠成核、随后的枝晶生长和巨大的体积变化阻碍了它的进一步应用。

厦门大学李秋红等设计了一个由N掺杂碳纳米纤维（NCF）和MoS₂组成的三维框架，作为Na沉积的基底。

图1 材料制备及表征

2H-MoS2和N-功能团具有很强的亲钠性，有助于吸附Na⁺和降低Na的成核能量。由于2H-MoS₂和吡啶N-官能团促成了低成核势垒，高负载的Na可以均匀地沉积在MoS₂/NCF骨架的表面。循环之后，Na的扩散将由1T-MoS₂表面的Na迁移控制，其能量屏障要低得多（-0.291 eV）。因此，超强亲钠性和最终吸附的协同使得Na在8 mA cm^-2的条件下剥离/沉积超过3000次，并具有99.6%的库仑效率（在2 mA cm^-2的条件下循环8000次）。

图2 钠沉积剥离性能

此外，对称的MoS₂@NCF/Na电池表现出优异的循环稳定性和较小的滞后电压（在6 mA cm^-2和3 mAh cm^-2的条件下，经过3000次循环后为30.0 mV）以及优异的倍率性能（在20 mA cm^-2的条件下为120 mV的低过电势）。得益于上述优势，MoS₂@NCF/Na||NVP@C全电池在循环和倍率性能方面也表现出显著的改善（在30C时为75 mAh g^-1）。这项工作为先进的高性能钠金属电池开发了一种基于稳定Na沉积的有前景策略。

图3 全电池性能

Homogenous sdiophilic MoS2/Nitrogen-doped Carbon nanofibers to stabilize sodium deposition for sodium metal batteries. Energy Storage Materials 2022. DOI: 10.1016/j.ensm.2022.09.015

8. 潘锋/宋永利/杨卢奕Nano-Micro Lett.：洞察高压全固态锂电池的界面退化

聚环氧乙烷（PEO）基固态聚合物电解质（SPE）被认为是一种有前景的全固态锂电池（ASSLBs）的固态电解质。然而，与高压正极材料（如钴酸锂）的差界面稳定性，限制了其在高能量密度固态电池中的应用。

北京大学深圳研究生院潘锋、宋永利、杨卢奕等在LiCoO₂颗粒表面涂上了高压稳定的Li₃AlF₆保护层，以改善PEO基ASSLBs的性能并研究其失效机制。

图1 Li₃AlF₆涂覆LiCoO₂的表征

研究发现，在4.2V的充电电压下，不良的电化学性能主要源于高活性的LiCoO₂表面和PEO之间的化学氧化还原反应所引起的LiCoO₂表面的结构崩塌，导致LiCoO₂的相变，这表明LiCoO₂表面和界面的结构稳定性对于高压应用至关重要。而当电压达到4.5V甚至更高的电位时，LiCoO₂的降解和PEO的强烈分解都可能是导致容量进一步下降的原因。

图2 电化学性能对比

与此形成鲜明对比的是， Li₃AlF₆涂层可以保护LiCoO₂在循环过程中不发生化学降解，从而稳定LiCoO₂，并使PEO在高电压下的电化学分解最小化。因此，这项工作不仅对含有LiCoO₂的PEO基电池的失效机制提供了重要的补充，而且提出了在高压ASSLBs中保留正极-电解质界面结构稳定性的通用策略。

图3 用于实现稳定和高压ASSLBs的LAF涂层的拟议机制

Insights Into the Interfacial Degradation of High-Voltage All-Solid-State Lithium Batteries. Nano-Micro Letters 2022. DOI: 10.1007/s40820-022-00936-z

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