电池顶刊集锦：崔光磊、孟颖、侴术雷、杨全红、吴宇平、庞欢、潘安强、卢锡洪、张朝峰、张联齐等成果！

1. 吴宇平/刘丽丽Adv. Sci.：采用Li₄Ti₅O₁₂修饰隔膜获得更好的Li-S电池

市场对能源的需求促使研究人员对Li-S电池给予了很大的关注。然而，”穿梭效应”、锂负极的腐蚀和锂枝晶的形成使得Li-S电池的循环性能不佳（尤其是在高电流密度和高硫负载下），从而限制了其商业应用。

图1 SPLTOPD和商用隔膜在Li-S电池中的作用示意图

南京工业大学吴宇平、刘丽丽等通过简单的涂层方法，即采用Super P和LTO（Li₄Ti₅O₁₂）（缩写为SPLTOPD）制备和修饰了一种隔膜，以改善Li-S电池的电化学性能。研究显示，LTO可以提高Li⁺阳离子的传输能力，而Super P可以降低电荷传输电阻。此外，所制备的SPLTOPD修饰层可以有效地阻隔多硫化物的通过，催化多硫化物转化为S₂-的反应，并防止绝缘硫物种在阴极表面的聚集。

图2 不同改性材料对多硫化物的影响以及改性隔膜的离子传导性测试

受益于上述优势，采用SPLTOPD的Li-S电池可以在5C下循环870次，每次循环的容量衰减仅为0.066%。当硫含量为4.0 mg cm^-2时，在0.2 C下活化后的比放电容量可以达到1200 mAh g^-1，而当硫含量高达7.6 mg cm^-2时，仍然可以达到839 mAh g^-1。此外，采用SPLTOPD的电池在1 C下循环100次后，锂负极上没有锂枝晶或腐蚀层。毫无疑问，这项工作可以大大促进Li-S电池功能改性隔膜的商业化。

图3 Li-S电池的循环性能

A Separator with Double Coatings of Li₄Ti₅O₁₂ and Conductive Carbon for Li-S Battery of Good Electrochemical Performance. Advanced Science 2023. DOI: 10.1002/advs.202301386

2. 庞欢/刘兴泉等AM：受限抗波动膜实现耐用和无枝晶锌离子电池

水系锌离子电池（ZIBs）因其固有的安全性、低成本和无毒性而成为有前景的系统，而锌的腐蚀和枝晶生长会导致锌负极的差可逆性。

图1 生物和人工计算系统的示意图

扬州大学庞欢、香港理工大学Jingxin Zhao、电子科技大学刘兴泉等开发了多孔的Zn@C固体、空心和卵黄壳微球薄膜作为锌负极的抗波动剂（ZAAF）。与其他改性材料相比，ZCYSM薄膜的优点如下：1）具有高电子传导性和高离子传导性的ZCYSM薄膜可以在高电流密度下实现稳定的Zn沉积/剥离；2）缓冲和封闭的优良特性增强了Zn金属在沉积/剥离过程中的可逆性；3）出色的抗腐蚀性能提高了ZAAF的稳定性，抑制了ZnSO₄电解液中的寄生反应；4）ZCYSM薄膜连续致密，相互间有很强的粘附力，即使在复杂的机械力作用下也能保持优异的性能。

图2 ZCYSM@Zn抗波动负极的电化学性能

作为概念验证，ZCYSM@Zn对称电池在10 mA cm^-2的高电流密度下实现了超过4000小时的优秀循环稳定性和4 Ah cm^-2的累积沉积容量。同时，抑制的腐蚀反应和无枝晶的ZAAF显著提高了全电池的耐久性（与CaV6O₁₆·3H₂O结合）。此外，这项工作整合了耐用的小型软包电池和电化学神经形态无机装置（ENIDe）来模拟神经网络，提供了一种可与人脑相媲美的极端互联性策略。

图3 对全电池的性能和反应机制的研究

Modulating zinc metal reversibility by confined antifluctuator film for durable and dendrite-free zinc ion batteries. Advanced Materials 2023. DOI: 10.1002/adma.202303336

3. 潘安强等Sci. Bull.：超薄蛭石片为锌金属负极提供离子整流效应

金属锌是制备各种水系锌离子电池（ZIBs）的主要选择，而具有挑战性的问题包括枝晶生长和负极/电解质界面的寄生反应，这大大阻碍了其在大规模储能中的实际应用。

图1 材料制备及表征

中南大学潘安强、Shuang Zhou等开发了一种低成本的多功能离子整流器（IRT），作为改善Zn负极的人工中间体，它可以消除上述问题。其中，疏水性外壳（聚偏二氟乙烯）通过排斥体相电解液中的水分子，可以抑制锌的界面腐蚀，其抑制效率达到94.8%。此外，亲锌核心（超薄蛭石片）内的负电荷离子通道对Zn²⁺离子通量产生了去溶剂化的再分配效应，使无枝晶的锌沉积具有较高的离子转移数（0.79），这促进了锌金属中的Zn/Zn²⁺可逆性与IRT稳定化。

图2 半电池性能

凭借这种协同作用，IRT保护的电极使不对称电池在2000次循环中实现了前所未有的CE（99.8%），并使对称电池具有超长的寿命（1600小时）和2400 mAh cm^-2的高累积容量，显示了锌电化学的优异可逆性。更重要的是，具有IRT保护的Zn//NH₄V₄O₁₀袋包电池在1 A g^-1的条件下循环150次后，仍能保持94.3%的初始容量。这项研究开创了一种低成本、高效率的方法来解决锌金属负极的内在困境，这可能会加速锌基储能装置的繁荣。

图3 全电池性能

Unique ion rectifier intermediate enabled by ultrathin vermiculite sheets for high-performance Zn metal anodes. Science Bulletin 2023. DOI: 10.1016/j.scib.2023.05.015

4. 孟颖/卢锡洪Joule：一种用于水系酸性电池的高容量Sn金属负极

水系酸性电池（AABs）是应对电池多样性的一个很好的选择，因为它为可再生能源存储提供了所需的安全、成本、环境友好和高功率。然而，由于金属负极材料的不足，低电压和能量密度给实际应用带来了很大的挑战。

图1 水系酸性电池中的锡电极

美国芝加哥大学孟颖、中山大学卢锡洪等报告了一种界面调节的Sn金属负极作为最后一块拼图的解决方案。具体而言，这项工作通过界面铜合金化调控方法，成功展示了一种高容量和高可逆性的Sn金属电极，以作为AABs的通用负极选择。其中，铜基底（Cus）是从各种Sn基合金中精心挑选出来的，其具有合适的析氢反应（HER）活性、在酸中的惰性，以及低毒性和成本效益。实验研究和理论模拟都表明，界面合金化大大改善了可逆性，沉积的均匀性和对金属脱落的抑制，导致了更好的电化学性能和稳定性。

图2 锡沉积过程中的界面调控研究

因此，Sn/Cus获得了令人满意的比容量（442 mAh g^-1）、库仑效率（CE，约98%）、极化（约11 mV at 2 mA cm^-2）和循环耐久性（约93% CE after 300 cycles）。为证明其对正极介质的通用性，Sn负极与各种整个极材料如二氧化铅、二氧化锰和聚苯胺（PANI）耦合，形成一系列AABs。结果，实现了高输出电压（高达1.7V）、卓越的比能量密度（基于两个电极高达312Wh kg^-1）、快速的动力学（在24C下高达93%的充电/放电容量）和长寿命（高达2400次循环）。

图3 基于锡电极的酸性电池的电化学性能

A high-capacity Sn metal anode for aqueous acidic batteries. Joule 2023. DOI: 10.1016/j.joule.2023.04.011

5. 侴术雷/李林/张朝峰AFM：阴离子受体削弱ClO₄⁻溶剂化实现60℃钠电池

具有宽工作温度的钠离子电池（SIBs）被认为是大规模储能系统有希望的候选者。然而，在高温下工作的SIB会加剧电解液的分解，出现不稳定的正极-电解质间相（CEI），从而导致容量迅速下降。

图1 理论计算

温州大学侴术雷、李林、安徽大学张朝峰等采用阴离子受体三(五氟苯基)硼烷(TPFPB)作为电解液添加剂，以构建坚固的富含NaF的CEI。研究显示，阴离子和TPFPB之间通过缺电子的硼原子产生的强相互作用削弱了高氯酸盐（ClO₄-）的溶剂化，促进了溶剂和Na⁺阳离子之间的配位能力。密度函数密度（DFT）计算证实了TPFPB和ClO₄-阴离子之间通过B-O键的强相互作用，这导致更少的ClO₄-和更多的有机溶剂占据第一溶剂化鞘。因此，电解液中自由溶剂的比例大大降低，实现了氧化稳定性的改善。

图2 Na₃V₂(PO₄)₃正极的电化学性能

结果，在含有TPFPB的电解液中的Na₃V₂(PO₄)₃正极具有长期稳定性，在4.2V的高截止电压（相对于Na⁺/Na）和60℃的高温下，经过100次循环后容量保持率达到86.9%。此外，TPFPB在-30至60℃的温度范围内也能很好地工作，并具有更高的性能。该研究提出了一种通过操纵溶剂化化学来构建高温可充SIB的前瞻性方法。

图3 电解液的溶剂化结构表征

Anion Receptor Weakens ClO4− Solvation for High-Temperature Sodium-Ion Batteries. Advanced Functional Materials 2023. DOI: 10.1002/adfm.202302281

6. 张联齐/宋大卫/张洪周AEM：小尺寸单晶正极实现更好的4.5V全固态锂电

NCM811（LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂）的机械损伤、严重的界面副反应以及正极与固态电解质（SE）的物理接触失效是其在全固态电池（ASSLB）中实现高电压稳定性的主要障碍。正极形态对结构完整性的影响直接关系到ASSLBs的电化学性能。

图1 材料表征

天津理工大学张联齐、宋大卫、张洪周等合成了小尺寸单晶NCM811（S-SC）用于硫化物基ASSLBs，以解决机械损伤和接触失效问题，并通过Li₂O预锂化策略改善了界面稳定性。横截面抛光扫描电子显微镜（CP-SEM）分析表明，在高压循环过程中，严重的体积应变对传统的单晶NCM和具有大颗粒尺寸的多晶NCM正极的破坏性更大。减小单晶的颗粒尺寸是减少ASSLBs中机械损伤和与SE物理接触不充分的有效方法。电化学性能测试结合EIS测试和飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）表征表明，Li₂O预锂化策略可以有效提高ASSLBs的可逆容量并抑制界面副反应。

图2 不同正极的电化学性能

因此，S-SC-PL正极具有出色的高压稳定性，在2.72-4.4V 和1C倍率下循环500次后容量保持100%，并且在2.7-4.5V 和1C倍率下循环200次后容量保持100%。这项工作的结论是，小尺寸单晶是实现高电压稳定性硫化物基ASSLB的最合适的富镍层状正极选择。总体而言，这项工作强调了适当的正极形态设计对于开发高电压和长循环的硫化物基ASSLB的重要性。

图3 不同正极充电前后的横截面SEM和d_Q/d_V曲线

High-Voltage Stability of Small-Size Single Crystal Ni-Rich Layered Cathode for Sulfide-Based All-Solid-State Lithium Battery at 4.5 V. Advanced Energy Materials 2023. DOI: 10.1002/aenm.202300850

7. 杨全红Angew：自脱氧电解液添加剂实现高稳定水系锌电池

在水系锌（Zn）电池中，锌负极会遭受严重的腐蚀反应和随之而来的枝晶生长问题，这导致性能快速下降。

图1 电解液中DO对Zn负极的危害

天津大学杨全红等揭示了腐蚀机制，并证实溶解氧（DO）（而不是著名的质子）是锌腐蚀和副产物沉淀的主要来源，尤其是在电池初始静止期。与普通的物理脱氧方法不同，这项工作提出了一种化学自脱氧策略来解决溶解氧引起的危害。作为概念验证，作者将蒽醌-2-磺酸钠（AQS）作为一种自脱氧添加剂引入水系电解液中。AQS添加剂不仅缓解了DO诱导的锌腐蚀和伴随的氢氧化硫酸锌水合物（Zn₄SO₄(OH)₆·xH₂O，ZHS）副产品的沉淀，而且由于Na⁺的静电屏蔽作用，还抑制了锌枝晶的形成。

图2 水系电解液中AQS的自脱氧评价

结果，锌负极在0.5 mA cm^‒2条件下可维持2500小时的长期循环，在5 mA cm^‒2条件下可维持1100小时以上的长期循环，并且库仑效率高达99.6%。全电池在500次循环后也显示出92%的高容量保持率。总体而言，这项研究结果提供了对水系电解液中锌腐蚀的新认识，也为水系锌电池的工业化提供了实用的解决方案。

图3 添加AQS后锌负极的电化学性能

A Self-Deoxidizing Electrolyte Additive Enables Highly Stable Aqueous Zinc Batteries. Angewandte Chemie International Edition 2023. DOI: 10.1002/anie.202303557

8. 崔光磊/张增奇/刘涛 EnSM：削弱溶剂极性实现无穿梭效应和宽温锂电池

锂-有机电池具有无过渡金属正极、资源可持续性和低成本的特点，显示出成为严重依赖稀缺自然资源的锂离子电池替代品的巨大潜力。然而，锂-有机电池受到穿梭效应和不稳定的锂金属负极的困扰，特别是在极端的运行条件下。高浓度或局部高浓度的电解液可以缓解这些问题，但代价是高成本和环境问题。

图1 不同电解液中的锂-有机电池的电化学行为

中科院青能所崔光磊、张增奇、刘涛等提出了一种标准浓度的电解液，通过削弱溶剂的极性，显示出与有机活性材料（无穿梭效应）和锂金属负极（库伦效率∼99.52%）的良好兼容性。基于理论和实验研究，作者证明了正庚烷对锂金属具有热力学稳定性，从而大大减少了电解液和锂金属之间的副反应，这使锂的库伦效率达到99.52%。此外，由于正庚烷的离子解离度超低，它可以有效地抑制苝-3,4,9,10-四羧酸二酐（PTCDA）在电解液中的溶解，此外它还可以削弱溶剂和Li⁺之间的亲和力。

图2 不同电解液和锂金属之间的兼容性评估

结果，PTCDA|Li电池在200次循环后保持了98.2%的容量，平均库仑效率为99.97%，并且在-40至+60℃的环境中显示出高循环稳定性。此外，采用所设计的电解液替代传统电解液后，PTCDA|Li软包电池的能量密度在相同条件下增加了13.9%。另外，这种电解液可以扩展到其他（Li-S、Li-FeS）电池中，以解决穿梭效应和不稳定锂负极的困境。

图3 PTCDA|Li电池的宽温性能

Weakening solvent polarity enables shuttle-effect-free and temperature-independent lithium-organic batteries. Energy Storage Materials 2023. DOI: 10.1016/j.ensm.2023.102816

原创文章，作者：科研小搬砖，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2023/10/07/bf41fdbdd1/

电池顶刊集锦：崔光磊、孟颖、侴术雷、杨全红、吴宇平、庞欢、潘安强、卢锡洪、张朝峰、张联齐等成果！

相关推荐