最新电池顶刊：俞书宏、周豪慎、余彦、兰亚乾、杜菲、杨树斌、邓文韬、潘洪革等成果集锦！

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1. Nature子刊：基于氧化还原活性中间层的高性能锂硫电池，循环超500次！
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锂硫电池的理论比能量高于最先进的锂离子电池。然而，从实际角度来看，由于多硫化物在循环过程中穿梭，这些电池表现出较差的循环寿命和低能量。为解决这些问题，研究人员建议在硫正极和锂金属负极之间引入氧化还原惰性保护层。然而，这些中间层为电池提供了额外的重量，因此降低了实际的能量密度。
大邱庆北科学技术学院Jong-Sung Yu、阿贡国家实验室徐桂良、Khalil Amine等报告了由硫浸渍的极性有序介孔二氧化硅（pOMS/Sx）组成的氧化还原活性中间层的开发和测试。
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图1 氧化还原活性IL的设计原理
所开发的氧化还原活性中间层（ILs）设计是基于以下理由：首先，pOMS/Sx本身可以提供额外的活性硫并提高电池的面积容量，这与广泛报道的氧化还原活性IL不同，后者尽管提高了循环稳定性，但却增加了电池中非活性材料的额外重量；此外，尽管固有的硫含量很高，但极性的pOMS/Sx ILs仍然可以通过极性-极性相互作用将溶解的LiPSs有效地固定在表面或多孔结构内，从而可以阻碍LiPSs的穿梭作用和锂金属腐蚀，并提高循环稳定性；特别是，分离的多硫化物捕集位点（极性二氧化硅）和电子转移位点（电子传导剂）可以最大限度地提高采用pOMS/Sx ILs的Li-S电池在充电-放电期间的反应效率；此外，片晶形态可以适应反复锂化/脱锂化过程中硫的体积变化。
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图2 采用中间层的Li-S电池的电化学储能性能
受益于上述优势，当在非水Li-S纽扣电池配置中进行测试时，pOMS/Sx可以适应高面积S负载（≥14 mg cm-2）并实现更高的面积容量（>10 mAh cm-2）。此外，优化后的pOMS/Sx在高电流(1675 mA g-1)和低电解液/硫(E/S)比(10 µl mg-1)下表现出良好的循环稳定性和超过500次循环的高面积容量(3.85 mAh cm-2)。这些属性可以增加锂硫电池的实际比能量。
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图3 Li-S电池的循环后非原位表征
Development of high-energy non-aqueous lithium-sulfur batteries via redox-active interlayer strategy. Nature Communications 2022. DOI: 10.1038/s41467-022-31943-8
2. 俞书宏院士Adv. Sci.：石榴启发的锂负载策略使无枝晶锂负极成为可能！
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与耐用的锂离子电池相比，不受控制的锂枝晶严重阻碍了锂金属电池的商业化进程。
中科大俞书宏院士等受石榴结构的启发，引入了一种新的锂金属负载策略，即通过多孔还原氧化石墨烯/金（PRGO/Au）复合微棒（PGMRs）作为独特的存储包裹，以构建无枝晶锂金属负极。
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图1 材料制备
研究发现，PGMRs坚固的导电支架和丰富的内部空隙为容纳锂金属提供了丰富的存储空间，并缓解了无限体积波动和随之而来的结构应力，这大大增加了锂金属的质量负载，并在循环过程中有效地稳定了固体电解质界面（SEI）层。此外，微量金纳米核的引入使石墨烯基MRs内锂的三维空间选择性沉积/剥离成为可能。
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图2 半电池性能
受益于上述优势，所获得的PRGO/Au-Li负极在≈2140 mAh g-1的高比容量下可提供长达600小时的无枝晶长寿命稳定循环，并且具有低至20 mV的电压滞后。此外，当与LiFePO4正极匹配时，与对比样品相比，采用PRGO/Au-Li负极的全电池显著提高了倍率性能和循环稳定性，电压极化也低得多，库仑效率接近100%。因此，这项工作为构建先进的高能量密度和高稳定性锂金属负极提供了一种新的生物启发策略。
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图3 全电池性能
Pomegranate-Inspired Graphene Parcel Enables High-Performance Dendrite-Free Lithium Metal Anodes. Advanced Science 2022. DOI: 10.1002/advs.202203178
 
3. 吉林大学AFM：空气中储存达60天，高性能空气稳定层状正极！
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钾（K）基层状氧化物是K离子存储的潜在候选材料，但它们在环境条件下存在化学不稳定性，这使其倍率和循环性能较差。
吉林大学杜菲、刘春宝、谢禹等开发了一种水化工程策略来改善K基层状正极的空气稳定性和电化学性能。
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图1 水合导致晶体结构发生变化
具体而言，在P3型K0.4Fe0.1Mn0.8Ti0.1O2的K离子层中引入H2O分子，从而诱发了从六角形对称性到单斜形对称性的相变。由此产生的水合材料不仅获得了良好的空气稳定性（在空气中储存60天后仍能保持其原始结构），而且还拥有一些有利的特征，包括：i）6.9 Å 的扩展层间空间，有利于K的嵌入；ii）增强的赝电容，实现了高速K离子存储；iii）结晶水的存在，屏蔽了K离子之间的静电排斥；以及iv）支柱效应，抑制了晶体体积变化，提高了长期循环稳定性。
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图2 有机电解液中的K离子存储特性
受益于上述优势，K0.4Fe0.1Mn0.8Ti0.1O2⋅0.16H2O作为有机和水系钾离子全电池的正极获得了出色的倍率能力和循环稳定性（例如，1000次循环后容量保持率达90%）。此外，这种简单而有效的水合策略也被应用于改善其他K基层状氧化物的空气稳定性，包括P3-K0.4MnO2和P2-K0.5Cu0.1Fe0.1Mn0.8O2，这证明了其在提高层状氧化物的持久钾离子储存方面的作用。因此，这项工作有望推动K离子电池在许多其他非锂技术中的竞争力。
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图3 正极材料的空气稳定性测试
Hydration Enables Air-Stable and High-Performance Layered Cathode Materials for both Organic and Aqueous Potassium-Ion Batteries. Advanced Functional Materials 2022. DOI: 10.1002/adfm.202204318
 
4. 杨树斌AEM：沉积容量达40mAh/cm2，类正弦波MXene助力无枝晶锂负极！
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锂金属负极被认为是可充锂基电池最有希望的候选材料，但不可控制的锂枝晶阻碍了进一步的应用。
北京航空航天大学杨树斌等制备了具有低曲率的类正弦波MXene（Ti3C2Tx）（SWA-MXene）层，以消除在有序三维宿主中反复锂沉积剥离过程中的避雷针效应。
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图1 锂沉积行为的示意图
首先，作者通过COMSOL Multiphysics模拟，研究曲率对3D有序结构中锂沉积行为的影响，结果发现低曲率可使锂离子和电场的分布均匀化，从而有效消除锂沉积过程中有序电极表面的避雷针效应。因此，基于理论模拟和计算，这项工作通过将水系MXene分散体铺在金属线圈的断面上，随后在室温下干燥而制备了SWA-MXene层。
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图2 半电池性能
锂沉积过程的形貌表征显示，独特的类正弦波结构引起的锂离子通量和电场的重新分布效应可保证锂在电极表面的均匀沉积，从而使锂表面平整光滑。相比之下，在锂沉积过程中，即使在理想的基板上，锂离子通量和电场分布也显示出明显的强度梯度，这种增强的局部电场强度会形成一个高电荷区，促进更多的锂聚集，进而演变成锂枝晶。因此，柔韧的SWA-MXene层显示出低的锂成核过电位（0.05 mA cm-2时≈13.5 mV）和高达40 mAh cm-2的沉积容量，以及长达1250小时的循环寿命。此外，由SWA-MXene-Li负极和LiFePO4正极组成的全电池也显示出持久的循环寿命，在1088 mA g-1时可达420次。
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图3 全电池性能
Eliminating Lightning-Rod Effect of Lithium Anodes via Sine-Wave Analogous MXene Layers. Advanced Energy Materials 2022. DOI: 10.1002/aenm.202201181
 
5. 兰亚乾Angew：循环达6000次，基于COF的无枝晶水系锌电池！
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锌基水系电池（ZABs）因其高理论容量、安全性和低成本而备受关注，但与枝晶生长密切相关的H2释放、鉴定或抑制机制的研究却很少，而且具有挑战性。
华南师范大学兰亚乾等探索了一系列亲锌金属共价有机框架（如Zn-An-COF、Zn-DAAQ-COF和Zn-DAA-COF）作为模型平台来调控H2释放和Zn2+通量。
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图1 Zn-COF@Zn负极的结构设计及机理阐明
DFT计算结果表明，亲锌COFs如Zn-An-COF对Zn原子的吸附能高于Zn箔，此外Zn-An-COF独特的孔隙结构和静电势分布可以有效地去除本体电解液中的Zn溶剂化水，从而避免H2释放和Zn腐蚀。研究显示，最好的PVC-Zn-An-COF@Zn电极与裸Zn电极相比，显示出明显抑制的H2释放（在对称电池中为0.002 vs 0.49 mmol h-1 cm-2）。因此，采用PVC-Zn-An-COF@Zn负极组装的对称电池在1 mAh cm-2的20 mA cm-2的高电流密度下，以低过电位（< 79.1 mV）实现了3000次循环的优异稳定性，并实现了无枝晶形态和可忽略的H2释放行为。
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图2 Zn沉积行为的原位光学表征和不同电极的电化学性能
此外，当与二氧化锰正极结合时，组装的PVC-Zn-An-COF@Zn//MnO2全电池在2000 mA g-1条件下实现了高达6000次的循环稳定性，其性能几乎超过了以前报道的所有其他锌金属复合负极。此外，作者通过DFT计算和充分的表征，对H2抑制和Zn枝晶的形成进行了深入研究，结果表明这些COFs可以增强H2释放的能垒并均匀离子分布或电场以实现高性能。总之这项工作可能为下一代ZABs中多孔晶体材料的探索提供新的思路。
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图3 全电池性能
Synergistic Manipulation of Hydrogen Evolution and Zinc Ion Flux in Metal-Covalent Organic Frameworks for Dendrite-free Zn-based Aqueous Batteries. Angewandte Chemie International Edition 2022. DOI: 10.1002/anie.202210871
 
6. 周豪慎Angew：揭示单晶层状富镍正极4.6V高压稳定性的起源
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与多晶（PC）富镍正极材料相比，单晶（SC）正极材料表现出优异的结构稳定性、高可逆容量和循环过程中有限的电压衰减，这受到学术界和工业界的高度关注。然而，目前对SC内令人着迷的高压稳定性的起源知之甚少。
南京大学周豪慎等系统地比较了单晶LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2（SC-NCM811）和多晶LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2（PC-NCM811）在高电压下的结构演变和电化学性能。
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图1 PC-和SC-NCM811的XRD精修和电化学性能比较
研究显示，与PC样品相比，SC样品显示出较低的不可逆容量损失和电压下降。例如，在2.8-4.6 V电压窗口下的第二个循环中，SC-NCM811表现出优异的电化学行为可逆性，容量损失为12 mAh/g，电压降为0.033 V，而PC-NCM811 中则表现为29 mAh/g和0.073 V。此外，作者通过dQ/dV测试研究了两种样品在Li+（脱）嵌入时的复杂相变，其中在2.8-4.6 V的窗口下，SC-NCM811显示H1→M→H2→H3a的相变序列，并表现出有限的体积变化（4.86%），而在PC-NCM811中观察到额外的破坏性H3b相和9.18%的严重体积变化。
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图2 电化学过程中的原位研究
此外，SC-NCM811电极显示出无裂纹的形态，在长期循环过程中具有良好的电化学稳定性，而PC-NCM811由于尖晶石相而遭受严重的容量和电压衰减。总体而言，SC-NCM811在4.6 V的高截止电压和0.5 C(1C=200 mA/g)下表现出出色的结构稳定性和200次循环后85%的容量保持率。这项工作澄清了单晶富镍正极材料高压稳定性的来源，这将支持开发具有高能量密度的新型锂离子电池。
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图3 PC-和SC-NCM811在2.8−4.6 V下的循环稳定性
The Origin of High-Voltage Stability in Single-Crystal Layered Ni-Rich Cathode Materials. Angewandte Chemie International Edition 2022. DOI: 10.1002/anie.202207225
7. 中南邓文韬EEM：双碳网络工程助力286.8Wh/kg高比能钠离子电池！
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钠离子电池（SIBs）作为锂离子电池（LIBs）一个有前景的补充，已经迅速上升到储能系统的前沿。Na3V2(PO4)2F3(NVPF)作为SIBs的常用正极，具有工作电压高、体积变化小和良好的比能量密度等优点。然而，由于其固有的低导电性，它的循环稳定性和速率性能较差。
中南大学邓文韬等提出了一个巧妙的策略，即通过交联NVPF与由无定形碳和碳纳米管组成的多维纳米碳框架（NVPF@C@CNTs）来实现卓越的SIB。
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图1 NVPF@C@CNTs复合材料的结构示意图
在该复合材料中，两种碳质材料具有不同的功能。CNTs网络可以通过在NVPF颗粒之间构建化学桥，提供更快速的颗粒间电子传导和出色的结构稳定性。特别是，这种碳层可以有效地缩小NVPF颗粒（~100nm），使电荷迁移路径缩短，扩大正极和电解液之间的接触面积，提高结构稳定性，以适应反复脱出/嵌入钠离子时的快速体积变化。这种合理的设计确保了有利于缩短钠离子传输路径的粒径以及改善的电子转移网络，从而提高了电荷转移动力学和优异的循环稳定性。
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图2 在扣式半电池中测试的电化学性能
受益于这种独特的结构，获得了显著改善的电化学性能，包括高比容量（126.9 mAh g-1 at 1 C）和长期循环稳定性（在20 C下循环1000次后容量保持率达到93.9%）。此外，对于以硬碳为负极的全电池(NVPF@C@CNTs//HC)，能量密度可以达到 286.8 Wh kg-1。全电池在高温下也具有出色的电化学性能（在50℃下1 C循环100次后为95.3 mAh g-1）。总之，这种纳米级双碳网络工程和对离子扩散动力学的深入讨论可能有助于加速磷酸盐正极在SIBs中用于大规模储能的过程。
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图3 全电池性能
Robust cross-linked Na3V2(PO4)2F3 full sodium-ion batteries. Energy & Environmental Materials 2022. DOI: 10.1002/eem2.12485
 
8. 余彦/潘洪革AM：全面解读用于下一代可充电池的功能性MXene材料！
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MXenes 凭借其可行的表面化学、超薄二维结构和出色的电子导电性，被视为重塑能源未来的杰出候选者。广泛的研究工作带来了功能丰富的MXene系列的快速扩展，从而显著提高了现有储能设备的性能。
中科大余彦、西安工业大学潘洪革等重点介绍了为MXene基材料功能化而开发的策略，包括通过离子/分子/聚合物引发的相互作用或自组装来定制其微观结构、采用掺杂剂或官能团进行表面/界面工程、用MXene与各种材料构建异质结构并继承MXene前体的优势将其转化为一系列衍生品。它们在新兴电池技术中的应用得到了展示和讨论。通过精细的功能化和结构工程，基于MXene的电极材料表现出更高的比容量和倍率性能，它们的存在进一步抑制甚至消除了金属负极上的枝晶形成，从而延长了可充电池的使用寿命。同时，MXenes已被用作电解质、隔膜和集流体的添加剂。最后，作者提出了一些未来值得探索的方向，以解决MXene基材料的剩余挑战性问题，并实现下一代高功率和低成本的可充电池。
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图1 用于可充电池的MXene基材料功能化应用和策略的示意图
对MXenes的广泛研究不仅释放了MXene材料的全部潜力，而且有助于解决新型金属离子电池在LIBs之外遇到的几个重要瓶颈问题，如与大离子半径或金属离子的多价性有关的低稳定性和倍率性能。
受益于独特的二维层状结构、优异的电子传导性、结构灵活性和可调控的表面功能团，MXenes在改善电池性能方面发挥了关键作用。MXene电极的电化学性能已经通过以下方式得到了有效的改善：将其从多层结构脱层为几层甚至单层结构；夹杂不同的离子或有机分子以增加MXene纳米片之间的层间间距并防止其重新堆积；调整MXene表面的官能团以改善离子吸收和迁移；将MXene的微结构工程化为独特的三维多孔网络；将其转换为具有丰富缺陷和氧空位的衍生电极。
另一方面，将MXenes与传统的电极材料，如碳质材料、金属、金属氧化物和金属硫族化合物形成复合材料，有望实现不同成分的协同效应。MXenes也被用作表面改性层或结构设计，以减轻或消除金属负极的枝晶形成和生长。它们出色的导电性和大的表面积可以调节金属枝晶的均匀沉积。除了作为活性电极材料，MXene还被用作粘结剂、隔膜、固态电解质中的填充物和集流体，以改善电池性能，因为它们具有独特的二维结构、优异的导电性和对不同材料的强亲和力。
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图2 MXene组装结构的演示
尽管取得了重大进展，但对MXene基电极的进一步改进和深入了解仍有很大空间。主要有三个研究方向值得探索，以进一步功能化和应用MXen基材料，实现高能量和低成本的可充电池。首先，理论上已经预测到多种多样的MXene-基材料在金属离子存储方面具有优异的性能。然而，由于缺乏有效的合成策略，它们的实际性能很难被评估。对于现有的MXenes，即使其中一些可以通过实验合成，但它们是否达到了最佳性能仍然是个问题。例如，到目前为止，只有少数类型的MXenes，如Ti3C2Tx可以被可控和可扩展地分层，以实现增强的离子存储能力。仍然有必要开发更有效和通用的策略，使不同成分的多层MXenes脱层，以进一步提高其性能。常用的制备工艺，如水热和煅烧处理，会加剧表面氧化，导致性能下降。采用新的制造技术（如冷冻干燥）和适当的表面保护，这个问题可以在一定程度上得到缓解，但仍难以完全避免，这是MXene基材料制造和应用的一个主要障碍。
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图3 MXenes上的空位和掺杂剂
此外，与SIBs相比，对基于K+、Al3+和Mg2+的MXene基电池材料的研究仍然不足。特别是，与Na和Zn金属负极相比，关于抑制或调节K或Al负极的策略的报道较少。但是，由于它们有着相似的化学性质，从Na和Zn电池中获得的策略和知识也可能是可移植的。随着对MXene主体的结构和组成的更好控制，预计这些金属电池的稳定性和寿命可以进一步提高。另一方面，MXenes在其他金属负极（如镁和铝）上的应用还很少被报道，这代表了解决这些电池中固有问题的一个有希望但具有挑战性的研究方向。此外，在PIB、AIB或MIB系统中直接采用LIB或SIB电极是具有挑战性的，因为后者显示出更大的离子半径和更强的与宿主材料的互动。这可能需要对MXene材料进行更有针对性的设计和定制，以适应多价离子系统的应用。阐明这些电池系统中的电荷储存机制对于指导基于MXene的电极的设计也是必要的。先进的表征技术和理论支持对于加强深入了解也是至关重要的。
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图4 MXene基材料实现高能低成本充电电池的潜在研究方向

原创文章，作者：v-suan，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2023/10/08/8d5f7b1f5d/

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