8篇电池顶刊：陈维、黄富强、谷猛、刘杲、Nazar、潘锋、王成新、曹殿学等成果

水系锌电池具有低成本、长寿命、高安全的特点，是下一代大规模储能电池技术最有力的竞争者。然而锌电池面临的不可控副反应（锌枝晶生长、析氢）以及高N/P和低面容量降低电池能量密度等一系列的问题，阻碍了其商业化发展进程。

在此，中国科学技术大学陈维教授团队设计了一种稳定的二维锑/锑锌合金异质结构界面（Sb/Sb₂Zn₃-HI）来调节锌的均匀成核和生长。由于Sb/Sb₂Zn₃-HI对Zn原子具有较强的吸附作用和均匀的电镀电场，有助于降低Zn成核势垒，从而调节Zn的均相成核和生长。Sb/Sb₂Zn₃-HI包覆的Cu箔（Sb/Sb₂Zn₃HI@Cu）可以实现200 mAh cm⁻²的超高面容量下无锌枝晶生成且具有低过电位和高库伦效率（CE）。

图1. Zn|Zn对称电池及Zn|Sb@Cu非对称半电池的电化学性能

由于无锌负极设计，Zn-Br₂全电池具有高的能量密度以及出色的循环稳定性。值得一提是，500 mAh容量的放大Zn-Br₂电池可以稳定循环400次以上，平均CE为98.5%。此外，能量为9 Wh (6 V, 1.5 Ah)的Zn-Br₂电池模块可与光伏板集成，以展示实际的可再生能源存储能力。因此，由金属/金属合金异质结构界面设计的无负极电池将为其未来的储能应用带来一场革命。

图2. 大容量Zn-Br₂电池在实际储能中的应用

Constructing robust heterostructured interface for anode-free zinc batteries with ultrahigh capacities, Nature Communications 2023 DOI：10.1038/s41467-022-35630-6

2. ACS Energy Letters：超润湿性高压LiCoO₂用于低温锂离子电池

兼具低温（low-T）适应性和高能量密度的锂离子电池需要先进的正极。然而，由于正极-电解质界面兼容性差导致最先进的高压（high-V）正极在低温下的性能仍差强人意。

在此，中国科学院上海硅酸盐研究所黄富强研究员等人开发了一种浅表面掺Zr和穿插Li⁺导电的Li₂Zr(PO₄)₂（LZPO）的球状LiCoO₂（LZPO-LCO）。本文强调了浅表面的Zr掺杂物可以增强晶体结构的稳定性，促进Li⁺扩散并抑制晶格氧的氧化；而表面穿插的LZPO诱导LZPO-LCO与电解质的超润湿性，有助于形成具有强稳定性和高Li⁺电导率的高质量正极-电解质相（CEI）。

图1. LZPO-LCO结构示意图和润湿性

研究表明，在不改变电解质的情况下，即使在-25 ℃的低温度和4.6 V的高电压下，LZPO-LCO在0.2 C时显示出200 mAh g^-1和5 C时显示出137 mAh g^-1的超高容量，在100次循环后保持94%的容量，平均库伦效率为99.9%。此外，制造的全电池提供了340 Wh kg^-1的高能量密度，并在-25 ℃下循环200次后保持92%的容量。简而言之，这项工作展示了一种新的表面微结构架构，超越了元素掺杂和涂层，提高了高电压和低温度下正极的可行性。

图2. LZPO-LCO阴极和全电池的low-T电化学性能

Superwettable High-Voltage LiCoO₂ for Low-Temperature Lithium Ion Batteries，ACS Energy Letters 2023 DOI：10.1021/acsenergylett.2c02434

3. Advanced Function Materials：低温透射电镜揭示稳定的聚合物基固态锂金属电池及其界面特征

固态锂金属电池（SSLMBs）由于其固有的安全性和高能量密度，是下一代储能系统中有前途的候选者。然而，它们仍然存在界面稳定性差的问题，这将导致高的界面电阻和短的循环寿命。

在此，南方科技大学谷猛教授、深圳大学杨旭明教授等人联合开发了一种基于聚（偏氟乙烯-六氟丙烯）（PVDF-HFP）的新型聚合物电解质（PPE），并研究了Li和PPE之间的原子分辨率界面结构。通过对含有各种盐类和添加剂的PPE进行比较研究，选择了含有LiBF₄和PC增塑剂的PPE（PPE-BF）。

图1. Li||PPE-BF||Li、Li||PPE-BF||LFP的电化学性能

研究发现，含有PPE-BF的对称锂电池的CE值高达91.3%，并且可以在0.2 mA cm^-2的条件下稳定地循环1000小时以上，平均容量为0.2 mAh cm^-2。LFP电池具有出色的循环和速率性能：在0.3 C下循环100次后，容量保持率达到78.7%，在5 C下的可逆容量高达97.5 mAh g^-1。此外，使用低温透射电子显微镜（Cryo-TEM）研究了界面特征，发现Li||PPE-TFSI SEI是无定形的，具有均匀分布的Li氧化物和碳酸盐，而Li||PPE-BF SEI则是双层结构——无定形的外层加上以Li₂O为主的结晶内层，这可以使Li⁺有效转移，有助于防止Li和PPE之间发生连续的副反应。

总得来说，这项工作不仅强调了改善界面兼容性对聚合物基固态电池的重要性，而且还证明了通过低温电镜技术获得金属锂和聚合物基电解质之间详细界面结构的可行性。往后Cryo-TEM将被更多地用于揭示固态电池的界面结构。

图2. Li||PPE-TFSI界面表征

A Stable Polymer-based Solid-State Lithium Metal Battery and its Interfacial Characteristics Revealed by Cryogenic Transmission Electron Microscopy， Advanced Functional Materials 2023 DOI: 10.1002/adfm.202212847

4. Nature energy：导电聚合物中形成的分层有序结构提高锂离子电池的性能

导电聚合物在能源转换和存储设备中的应用越来越多。在导电聚合物的传统设计中，有机功能是通过自下而上的合成方法引入的，以通过对单个聚合物的改性来增强特定的性能。不幸的是，官能团的加入导致了相互冲突的效果，限制了它们的规模化合成和广泛的应用。

在此，美国劳伦斯伯克利国家实验室Gao Liu, Andrew M. Minor等人提出在导电聚合物中利用层次有序结构(HOS)的策略。这种策略可降低储能应用中主要结构的复杂性且适用于范围广泛的导电聚合物材料，以增强其电荷传输性能。

图1. 通过HOS增强的运输特性

因此，在HOS导电聚合物中的离子传输不依赖于基体的分段运动或离子溶解传输。锂离子传输与导电聚合物中的负极子（电子）扩散相耦合，使其成为一类新的快速离子传输的软材料。此外，HOS聚合物保持了其他所需的聚合物特性，而前体聚合物是可溶剂加工的。

研究进一步证明了具有HOS的导电聚合物能够使具有高负载的微米级氧化硅负极的全电池具有优异的循环性能，在300次循环中提供超过3.0 mAh cm^-2的面积容量，平均库仑效率大于99.95%。此外，具有HOS的聚合物可以应用于电化学系统、生物传感和显示等广泛的技术，提供更强的稳定性和传输功效，并延长设备寿命。

Formation of hierarchically ordered structures in conductive polymers to enhance the performances of lithium-ion batteries，Nature Energy 2023 DOI：10.1038/s41560-022-01176-6

5. Energy & Environmental Science:界面氧化还原介质用于高性能全固态Li2S电池

基于硫化锂正极的全固态Li-S电池因其既可以提供超过锂离子电池的高理论能量密度又可以设计“无负极”电池，在下一代储能候选者中引起了极大的关注。然而，固态Li₂S正极动力学受到有限的离子和电子传输以及高活化能垒的阻碍。

鉴于此，滑铁卢大学Linda F. Nazar团队开发了一种新型的正极结构设计，其中基于Li₂S/LiVS₂核壳（Li2S芯–LiVS2壳）纳米结构的主体在氧化过程中既能够充当界面氧化还原介质又能够通过电荷载体（Li+和e-）传输通道渗透正极。具体而言，在初始充电时，LiVS2壳层首先经历到VS2的脱锂作用，因为其具有固有的离子/电子导电性质。金属VS2作为Li2S的固体-固体界面介质，通过化学氧化后者在VS2/Li2S界面上形成硫并重新形成LiVS2。这种介质的关键特性是其氧化还原电位应接近并略高于活性材料（Li2S）的氧化还原电位。

图1. 全固态Li-S电池的电化学性能

通过采用硫银锗矿固态电解质，固态Li-S电池具有突出性能。该固态Li-S电池在室温下表现出高达3 mA·cm^-2的良好倍率性能，在1 mA·cm^-2的中等电流密度下，循环1000次后保持了近80%的容量。同时与常规全固态正极中的传统三相边界相比，由核-壳正极结构形成的两相边界在活性材料周围提供了连接良好的电子和离子路径，从而大大改善了混合电子-离子电导率。因此，在室温下，实际电流密度和活性物质载量分别为1 mA∙cm^-2和4 mg∙cm^-2。在60°C下，可在10 mg∙cm^-2的载量下实现5.3 mAh∙cm^-2的高面容量。这些正极设计方法将为未来全固态Li2S电池的实际改进提供了新的思路。

图2. 高载量下核壳型LVS正极的电化学性能

High-Performance All-Solid-State Li2S Batteries Using an Interfacial Redox Mediator, Energy & Environmental Science 2023 DOI: 10.1039/D2EE03297J

6. ACS Energy Letters：通过纳米级相配合物阻挡晶格O迁移稳定Li-Mn-O正极

在所有锂离子电池插层正极中，由于阳离子和阴离子氧化还原化学的共同作用，Li-Mn-O层状氧化物以最低的成本提供最高的初始能量密度。然而，由于高电位（>4.5 V）下连续晶格O损失导致较差的循环能，阻碍了其实际应用。

基于此，北京大学潘锋、张明建、李舜宁，国家加速器同步光源II Ge Mingyuany以及南方科技大学谢琳等人采用离子交换法成功制备了一种新型的层状尖晶石双相配合物Li-Mn-O纳米杂化正极，该正极具有层状纳米域和尖晶石纳米结构域的均匀和连贯集成。

图1. Li-Mn-O正极的电化学性能

研究表明，该正极具有纳米尺度的层状尖晶石复合结构。引入的尖晶石纳米结构域抑制了层状纳米结构域中氧空位在高电位下的迁移率，使LS-LMO阴极能够以>440 mA h g^-1的超高初始容量实现出色的长循环稳定性。简而言之，通过纳米级的层状尖晶石相配合物，通过层状尖晶石相配合物，LS-LMO在纳米尺度上表现出比基准层状Li₂MnO₃正极更好的循环性能和更高的倍率性能，表明这种纳米杂化结构在增强电化学方面取得了巨大成功，同时为通过纳米相复合策略开发高性能正极开辟了一条新途径。

图2. 层状/尖晶石相络合物的可逆O氧化还原

Stabilizing a Li-Mn-O Cathode by Blocking Lattice o Migration through a Nanoscale Phase Complex， ACS Energy Letters 2023 DOI：10.1021/acsenergylett.2c02507

7. Energy & Environmental Science：阴离子表面活性剂诱导水平生长的无枝晶锌负极用于高稳定性水系锌离子软包电池

水系锌离子电池因其固有的安全性和较高的理论容量而备受关注，但由于严重的副反应和锌枝晶的生长，电池的寿命仍然有限。解决这些问题的一种常见策略是使用特定的电解液添加剂来调节溶剂化结构，以实现择优的锌（002）取向。

基于此，中山大学王成新教授等人引入了一种阴离子表面活性剂3，3‘-二硫代二丙磺酸钠（SPS）作为一种新型的电解液添加剂，与传统的表面活性剂不同的是，它对溶剂化结构的影响可以忽略不计。并且，第一性原理计算表明，SPS阴离子倾向于吸附在其他晶面上，而不是（002）面，有效地限制了锌在（002）晶面上的电沉积。

图1. SPS添加剂改性Zn沉积机理研究

研究结果表明，使用面积为3×5 cm²的Zn||Zn对称软包电池，成功地实现了超过12000 mAh cm⁻²的惊人的高累积容量；表明了该设计在实际应用中的巨大潜力。进一步组装了由V₂O₅·H₂O正极和锌负极组成的锌离子电池，其面积容量高达约2 mAh cm⁻²，200次循环后容量保持率达82.8%，性能优于以往报道的大多数水系锌离子电池。因此，使用不同的电解质添加剂来调节优选的晶体取向，突出了SPS添加剂在实际应用中的巨大潜力。

图2. Zn||VOH全电池的电化学性能

Dendrite-Free Zn Anode Enabled by Anionic Surfactant-Induced Horizontal Growth for Highly-Stable Aqueous Zn-Ion Pouch Cells，Energy & Environmental Science 2023 DOI：10.1039/D2EE03528F

8. ACS Energy Letters：一种长循环、高倍率可充电水系铵离子电池

水系铵离子电池作为一种有效的能源策略受到了广泛的关注，但目前尚缺乏合适的负极材料。

在此，哈尔滨工程大学曹殿学教授等人开发了一种具有多层纳米片结构的合成高分子材料(PNNI)作为水系铵离子电池（AAIBs）的负极。PNNI含有羰基官能团，可在铵离子水溶液中可逆氧化和还原，在1 M NH₄Ac电解质中，在100 mA g^-1的库仑效率为93.8%。组装的三电极电池系统在100 mA g⁻¹时的比容量为147.7 mAh g⁻¹。

更重要的是，即使在2和5 A g⁻¹的极高电流密度下，2000次和10000次循环的容量保留率分别为90.7%和80.2%，表现出较好的循环稳定性。组装后的PNNI||Ni-APW全电池在1 A g⁻¹循环10000次后，容量保持率稳定，接近100%，并且该合成聚合物电极材料在铵离子电池放电/充电循环过程中保持其特殊的框架结构。

图1. PNNI负极组装电池的电化学性能

图2. PNNI||Ni-APW的电化学性能

A Long Cycle Stability and High Rate Performance Organic Anode for Rechargeable Aqueous Ammonium-Ion Battery，ACS Energy Letters 2023 DOI :10.1021/acsenergylett.2c01962