8篇电池顶刊：潘锋、鲁兵安、陈仕谋、许武、张继光、何冠杰、曹敏花、刘明贤等成果！

1. 许武/张继光AFM：双层锂负极保护策略实现高倍率锂金属电池

尽管锂金属负极（LMA）具有超高的理论比容量和极低的电化学氧化电位，但固体电解质间相（SEI）的不均匀性、”死”锂的形成以及电解液的持续消耗仍然阻碍了LMA的实际应用。

太平洋西北国家实验室许武、张继光等受聚环氧乙烷（PEO）化学/结构优势特点的吸引，提出了一个双层（DL）涂层的LMA保护概念。

图1 DL涂层的作用

研究显示，DL由提供均匀离子传输的PEO基底层（BL）和保持DL机械完整性的交联顶层（TL）组成，它们减少了锂金属与液态电解液之间的副反应。因此，DL@Li允许形成一个稳定的SEI层，以防止电解液的渗透，其主要由LiF和Li₂O组成。此外，DL@Li在沉积后表现出更光滑的表面，比裸Li颗粒更大。结果，在DL的物理化学特征的驱动下，DL@Li||NMC622电池显示出卓越的循环性，在电流密度为2.1 mA cm^-2（C/2倍率）的情况下，经过220次循环后容量保持率为92.4%，LMA的表面保持光滑，NMC622的正极结构也保存良好。

图2 DL@Li的电化学稳定性和锂的沉积行为

此外，值得注意的是，由于均匀的离子通量和减少的副反应，DL@Li||NMC622电池在6.9 mA cm^-2（1.5C倍率）的高电流密度下充电后达到了126.0 mAh g^-1的较高放电容量。据悉，在高面积容量负载的Li||NMC622电池中还没有报道过如此出色的电化学性能。作者相信，这种定制的DL保护可以有效地解决高倍率和高能量密度锂金属电池的艰巨挑战。

图3 Li||LiNi_0.6Mn_0.2Co_0.2O₂电池的电化学循环性

High Current-Density-Charging Lithium Metal Batteries Enabled by Double-Layer Protected Lithium Metal Anode. Advanced Functional Materials 2022. DOI: 10.1002/adfm.202207172

2. 何冠杰/柴国良AEM：超稳定水系锌离子电池，5000次循环容量保持92%

采用预适配阳离子的层状锰氧化物作为水系锌离子电池（AZIBs）的正极引起了巨大的兴趣，因为其开放的二维通道可以实现快速的离子扩散，并且在拓扑化学（脱）插层过程中具有温和的相变。然而，由于与主体内带负电的亥姆霍兹平面的松散相互作用以及二维结构中客体（脱）插层时的剪切/膨胀效应，不可避免地会看到这些“柱”阳离子从主体中浸出，这意味着需要合适的调节以防止它们快速性能衰减。

伦敦玛丽女王大学何冠杰、中科院福建物质结构研究所柴国良等首次提出了一类新的超结构层状锰氧化物，Mg_0.9Mn₃O₇·2.7H₂O，旨在实现高性能AZIBs的强大正极。

图1 Mg_0.9Mn₃O₇·2.7H₂O的结构和形态表征

研究显示，Mg_0.9Mn₃O₇·2.7H₂O在0.2 A g^-1和5 A g^-1时，可以实现312 mAh g^-1和132 mAh g^-1的高比容量，以及5000次循环后92%容量保持率的出色循环稳定性。同时，其卓越的倍率能力和晶格结构的准零体积变化进一步验证了其在实际应用中作为一种有前景的正极主体的可行性。

图2 电化学性能比较

作者进一步通过对传统层状锰氧化物（δ-Mg₂Mn₁₄O₂₇·nH₂O、δ-MnO₂·nH2O和δ-Na_0.55Mn₂O₄·2.4H₂O）和Mg_0.9Mn₃O₇·2.7H₂O的结构/化学演变和电化学性能的原位实验和理论比较，详细讨论了超结构正极材料的优点。研究表明，微观结构对性能的改善源于网状MnO₆和MgO₆链的特定二维特征以及内置的Mn空位，它们赋予了氢键稳定的层状结构和过渡金属层的水平钉住效应。因此，与以前报道的锰基正极相比，这种坚固的框架具有较少的锰迁移和准零的晶格体积变化，有助于提高电化学性能。总之，这些发现为开发可逆AZIBs的层状过渡金属氧化物的超级结构提供了新的见解。

图3 Mg_0.9Mn₃O₇·2.7H₂O的非原位表征

Hydrogen-Bond Reinforced Superstructural Manganese Oxide As the Cathode for Ultra-Stable Aqueous Zinc Ion Batteries. Advanced Energy Materials 2022. DOI: 10.1002/aenm.202201840

3. 曹敏花/毛宝光Nature子刊：基于应变调节的可逆钠电硫属化物负极

调控用于储能的过渡金属硫属化物的可逆氧化还原化学通常面临着巨大的挑战，因为很难直接调节放电产物。

北京理工大学曹敏花、毛宝光等报道了拉伸应变的MoSe₂（TS-MoSe2）可以作为宿主将其应变转移到相应的放电产物Mo上，从而有助于调节吉布斯自由能变化（ΔG）并实现可逆的钠存储机制。

图1 理论计算

具体而言，在该研究中，2-甲基咪唑（2-MI）被选择通过其强大的配体效应对研究对象（Mo和MoSe₂）施加应变。研究显示，继承应变会造成Mo的晶格畸变，从而调整d带中心上移，使其更接近费米水平，以增强Na₂Se的吸附性，从而导致Mo/Na₂Se和MoSe₂之间氧化还原化学的ΔG下降。

图2 放电和充电过程的非原位XPS 和原位拉曼光谱研究

因此，TS-MoSe₂显示出高度可逆的钠存储转换机制，而其对应物（无约束的MoSe₂）在充电过程中不能被恢复。更令人印象深刻的是，TS-MoSe₂在广泛的温度范围内（50至-30 °C）实现了高倍率容量和出色的循环稳定性。总之，这项工作为转换型TMDs的碱金属离子储能研究提供了一个方向，这对合理设计高性能电极材料至关重要。

图3 电化学性能

Strain-regulated Gibbs free energy enables reversible redox chemistry of chalcogenides for sodium ion batteries. Nature Communications 2022. DOI: 10.1038/s41467-022-33329-2

4. 同济刘明贤AFM：超长寿命锌离子存储，400000次循环后容量保持96.8%！

高亲锌和稳定的碳支架的定制纳米架构对于具有双高超电容活性和耐久性的锌离子存储来说至关重要，但仍然具有挑战性。

同济大学刘明贤等报告了一种路易斯对相互作用引导的自组装策略，以设计激活锌存储点的碳超结构。

图1 碳超结构的形成过程及形貌表征

具体而言，通过氯化铁（FeCl₃，路易斯酸）和对苯二甲醇（PDM，路易斯碱）之间的相互作用，通过H-键和π-π堆叠可定制聚合物超结构。该聚合物的上层结构是稳定的，并且可以方便地进行碳化，以获得具有良好继承几何形状的高孔隙碳。该碳超结构具有纳米触手交织的多孔模块和坚固的网络，可提供高效的亲锌活性位点和大量的主客体交互界面，以用于激活卓越的电容电荷存储。

图2 热解后获得的碳超结构的结构表征

因此，制备的锌离子杂化电容器（ZHCs）收获了电化学指标的全面改善，包括优异的倍率能力（100 A g^-1）、高能量密度（161.2 Wh kg^-1，基于正极）和持久的稳定性（400000次循环后96.8%的容量保持率）。实验表征和理论模拟的结合将异常高能量存储的根源确定为在亲锌位点交替吸收相反电荷以及在超稳碳超结构中异双原子基序与锌离子的多电子氧化还原反应。这项工作中提出的设计策略为定制高性能的碳超结构开辟了新的机会，并突出了它们在锌基储能装置中的应用前景。

图3 水系ZHC的电化学性能评估

Lewis Pair Interaction Self-Assembly of Carbon Superstructures Harvesting High-Energy and Ultralong-Life Zinc-Ion Storage. Advanced Functional Materials 2022. DOI: 10.1002/adfm.202208049

5. 鲁兵安/刘全慧/王星辉AEM：源于天然苎麻的高性能钾电池纤维素隔膜！

尽管钾电池（KBs），如钾金属电池和钾离子电池，有望实现低成本和高能量密度，但目前还没有能够满足KBs运行的专用隔膜。

湖南大学鲁兵安、刘全慧、福州大学王星辉等通过对纤维素的天然超分子结构进行工程设计，获得了一种具有高性能的分级多孔纤维素（HPC）隔膜。

图1 来自苎麻的新型HPC隔膜的示意图和纤维素的超分子结构

具体而言，选择苎麻为原料，采用环保型 2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基（TEMPO）介导的氧化和剧烈磁力搅拌，可将苎麻分解成纤维素纳米原纤维（CNF），这也有助于去除木质素和半纤维素。纤维素的超分子和分层结构使隔膜具有高孔隙率、优良的机械性能、优异的电解液润湿性和稳定的热性能。小孔径(0.64 µm)和合适的曲折度(1.83)的结合能够实现均匀的电流分布并抑制K枝晶的刺穿。

图2 K//K对称电池的电化学性能

结果，K//K对称电池的寿命超过1000小时而不发生短路。受益于高的K⁺转移数（0.69），采用HPC隔膜的石墨//K和普鲁士蓝（PB）//K电池表现出卓越的循环稳定性（分别为400和200次循环）和高倍率性能。此外，采用HPC隔膜的PB//石墨全电池在100次循环中可提供86 mAh g^-1的可逆转容量。总体而言，这种新型HPC隔膜通过对植物进行合理的结构改造，为KBs和其他储能系统的可持续发展提供了可能。

图3 采用HPC隔膜的KIBs的电化学性能

Natural Supra-Molecular Structure Engineering for High-Performance Potassium Batteries Separator. Advanced Energy Materials 2022. DOI: 10.1002/aenm.202202357

6. 深大/北大AFM：全面揭示锂电池的产气行为，迈向安全实际应用！

锂电池产生的气体对其电化学性能是不利的，尤其是在无人看守的失控条件下，容易造成气体的突然积累（包括可燃气体），从而引发爆炸和燃烧等安全问题。全面了解不同条件下的电池产气机制极为重要，有利于实现对电极和电解液之间复杂反应过程的直观认知，为优化电池性能提供有效策略。

深圳大学刘剑洪、张黔玲、胡江涛、北京大学深圳研究生院潘锋等总结了有关电池产气机制的最新进展，并突出强调提高电池安全性的气体抑制策略，还提出了未来产气分析和抑制的新方法。预计该综述将促进锂电池在性能、气体抑制和安全方面的进一步发展，特别是在高能量密度系统中。

图1 不同条件下的产气过程及其对电池性能和安全性的影响

作者首先回顾了正极材料、负极材料和电解液的产气机制，这使大家对普通电池系统的产气情况有了全面和统一的认识。同时总结了防止产气的策略，包括电极材料和电解液之间的缓冲层构建、电极材料的优化和改性、电极元件和电解液的结构设计、测试条件的调整等，为防止气体的产生打开了视野，有望为更有效的气体抑制策略提供参考。但仅仅依靠一两种策略来完全抑制产气是不容易的，因为从电池中观察到的气体可能来自不同的部件，包括正极、负极、电解液、导电碳、残余水等，这是一项巨大的产气抑制工程，电池的每个部分都应该特别注意。

图2 正极与电解液的界面化学反应

气体检测和分析是解决锂电池中产气问题的基础。然而，最常采用的设备，差示电化学质谱(DEMS)，有很大的局限性，如电解液蒸发引起的气体检测时间有限，由于使用大量的电解液而与实际电池系统有偏差，收集的气体产生结果的准确性等，因此，进一步改进DEMS的测试是必要和重要的。

结合上述回顾和气体检测的不足，这项工作提出未来产气分析和抑制的简短观点如下：1）具有高精度的长时间气体测试能力，设计和开发多功能原位DEMS设备，该设备应满足以下要求，包括长期持续测试、先进的挥发性电解液冷凝和补充系统、气体检测的高灵敏度、标准和可重复的气体测试协议；2）气体测试过程的科学设计，建议进行全电池的产气研究，通过研究气体类别和含量来跟进分析串扰反应；

图3 源于固态电解质的产气

3）全方位气体测试的相关性讨论，应在正常工况和热失控情况（高温、过充、短路等）下对产气进行系统研究，这有利于建立两种产气机理之间的关联；4）联合检测的先进技术，需要在开发精确的检测技术方面付出更多努力；5）多种产气抑制方法，电池中产生的气体源很多，因此在电池组装前应对所有可能产生气体的组件进行修改和优化；6）对产气的深入研究，正常情况和热失控情况下的产气机理分析和抑制方法可以抑制复杂的电池安全问题，同时提高电化学性能。

图4 未来电池产气分析的方向

Revealing Lithium Battery Gas Generation for Safer Practical Applications. Advanced Functional Materials 2022. DOI: 10.1002/adfm.202208586

7. JACS：机器学习预测适合全固态Li-S电池的固态电解质

锂硫电池（LSB）是最有前景的储能技术之一，因为其成本低，硫储量高。然而，多硫化物穿梭及其相应的容量衰减问题是其商业化的一个主要障碍。采用固态电解质（SE）取代传统的液态电解质是一个潜在的解决方案。

加利福尼亚大学圣迭戈分校王学彬、鲁尔基理工学院Swastika Banerjee等利用基于密度泛函理论的计算和机器学习的原子间势，对全固态LSB中正极-电解质界面的热力学和动力学进行了全面研究。

图1 用于界面MTP开发的被动和主动学习流程图

总的来说，预测显示，充电后的S₈正极比完全放电的Li₂S正极的反应性要强得多。此外，预测表明，在几种主要的固态电解质（氧化物、硫化物、氮化物和卤化物）中，硫化物SE通常对S₈正极最稳定，而其他SE化学成分则高度电化学不稳定。如果由于其他原因需要使用其他的SE，一些二元和三元的硫化物（例如LiAlS₂、Sc₂S₃、Y₂S₃）被预测为优秀的缓冲层。

图2 基于不同电解质/电极的反应能（左）和体积变化百分比

最后，作者利用主动学习方法开发了一个精确的机器学习原子间势（ML-IAP）来研究S₈|β-Li₃PS₄界面。大型界面模型（>1000s原子）的分子动力学（MD）模拟显示，最稳定的Li₃PS₄（100）表面倾向于与S₈形成具有二维通道和较低锂扩散激活障碍的界面。总体而言，这些结果为下一代全固态LSB的正极-电解质界面设计提供了关键的新见解。

图3 α-S₈的电化学反应能（左）和相应的体积变化（右）

Thermodynamics and Kinetics of the Cathode–Electrolyte Interface in All-Solid-State Li–S Batteries. Journal of the American Chemical Society 2022. DOI: 10.1021/jacs.2c07482

8. 北化陈仕谋EES：离子液体添加剂延长锌电池35倍循环寿命！

两性离子液体（ZIL）含有共价结合的阳离子和阴离子分子，具有潜在的电化学应用。

北京化工大学陈仕谋等通过在电解液中加入ZIL添加剂，在锌金属电池的负极和正极的界面上构建了一个自适应的电双层（EDL）。

图1 电解液设计

具体而言，在电解液中加入ZIL后，在电场作用下，阳离子和阴离子分子可以选择性地聚集在电极表面，从而在锌负极上形成动态静电屏蔽层，而在正极上形成独特的贫水界面。对一系列ZIL的筛选表明，3-（1-甲基咪唑）丙烷磺酸酯（ImS）增强了循环稳定性，因为咪唑阳离子的π-π堆积形成的动态静电屏蔽层可以调节均匀的锌沉积，并通过ImS的磺酸盐提供新的Zn²⁺传输通道。原位表征和模拟计算的结合表明，ImS添加剂占据了有限的成核友好位点，迫使Zn²⁺沉积在更多的相邻位点上，从而改变了Zn²⁺在EDL中的传输路径。此外，正极材料的溶解也被正极上的自适应EDL明显抑制。

图2 半电池性能

因此，受益于上述策略，Zn//Zn电池实现了无枝晶的沉积/剥离，与基础电解液相比，运行寿命提高了35倍（3500小时），并且在高电流密度（10 mA cm^-2, 20 mAh cm^-2）下，Zn的利用率超高（85%）。此外，Zn/NaV₃O₈·1.5H₂O全电池显示出超快的充放电速度（在20A g^-1条件下进行3000次循环后容量保持率为88%），并在高质量负载正极（10.16 mg cm^-2）下表现出3.38 mAh cm^-2的超高面容量（540次循环后保持率为91.15%）。

图3 Zn//NVOH电池性能

Engineering Self-adaptive Electric Double Layer on Both Electrodes for High-Performance Zinc Metal Batteries. Energy & Environmental Science 2022. DOI: 10.1039/d2ee02687b

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