1. Nature Communications：电化学诱导硅酸钐钠固体电解质中结晶-非晶化转变实现长效钠金属电池

开发具有高离子导电性、良好界面相容性和与电极共形接触的固体电解质（SE）材料对于固态钠金属电池（SSBs）至关重要。

在此，吉林大学杜菲和北京高压科学研究中心的唐明学、剑桥大学陆子恒等人通过两步固相反应成功合成了一种新型三方棱柱状晶体Na₅SmSi₄O₁₂电解质，其具有高室温离子电导率2.9 × 10⁻³ S cm⁻¹和0.15 eV的低活化能。具有Na₅SmSi₄O₁₂的全固态对称电池在0.15 mA  h cm⁻²下具有超过800 h的优异循环寿命 ，和1.4 mA  h cm⁻²的高临界电流密度 。

这种优异的电化学性能归因于钠的重复沉积和剥离过程中，电化学诱导的原位结晶到非晶（CTA）转变从界面传播到本体，这导致更快的离子传输和优异的界面性能。

图1. 固态电池的电化学性能

具体而言，在晶格微观应变的驱动下，Na₅SmSi₄O₁₂在Na|Na₅SmSi₄O₁₂|Na和Li|Na₅SmSi₄O₁₂|Li对称电池循环过程中经历非晶态转变。一方面，接触面积的增加大大降低了钠金属与电解质之间的界面电阻，促进钠的均匀沉积。另一方面，非晶态Na₅SmSi₄O₁₂表现出各向同性离子传输特性，有效消除了阻挡离子晶体取向。这一特性促进了负极界面上电流的均匀分布和均匀的金属成核，进一步提高了固态钠金属电池的整体性能。

因此，钠对称电池在0.15 mA cm⁻²@1 h下表现出800 h的稳定循环性能，在 0.05 mA cm⁻²@5 h (25 °C) 下表现出500 h的稳定循环性能。此外，组装的Na|Na₅SmSi4O₁₂|Na₃V₂(PO₄)₃准固态钠电池展现出优异的电化学性能，进一步证明了Na₅SmSi₄O₁₂电解质的实用性。

图2. 非晶块体材料和界面的优越性

Electrochemically induced crystalline-to-amorphization transformation in sodium samarium silicate solid electrolyte for long-lasting sodium metal batteries, Nature Communications 2023 DOI: 10.1038/s41467-023-42308-0

2. Advanced Materials：铜基硫化物中Sn与Zn的协同取代实现优异的钠离子存储

过渡金属硫化物已被认为是高能钠离子电池的候选负极。然而，它们的应用受到低电荷存储或巨大体积变化以及缓慢反应动力学的严重阻碍。

在此，河南大学白莹、闫冬等人基于铜基硫化物提出了一种有效的协同掺锡-锌替代策略。首先，通过引入合金基Sn元素，硫化铜的Na离子存储能力显著提高。然而，由于高钠离子吸收，该过程伴随着结构稳定性的牺牲。随后，为了保持高的钠离子存储容量，同时提高循环和速率能力，进行了Zn取代策略（取部分Sn位点），这可以显著促进钠离子的扩散/反应动力学，并减轻晶体框架内的机械应变应力。

Sn的协同掺入和Zn的取代使铜基硫化物具有高比容量（在0.5 A g^-1下为~560mAh g^-1）、超稳定的可循环性（80次循环，容量保持率为~100%）、高达200 A g^-1的优异倍率能力和超快充电特性（在约190 mAh g^-1输入下每次充电约4s）。

图1. CS、CTS和ZCTS的循环性能

总之，本工作提出了一种协同掺锡-锌替代方法，成功地开发出了具有超稳定循环能力、高比容量和显著快速充电性能的优异铜基硫化物。研究表明通过掺锡在铜基硫化物中引入额外的Na-Sn合金化反应，大大提高了其钠离子存储能力。

锌取代后铜基硫化物的电导率提高，电化学动力学增强，机械应变应力减轻（取部分Sn位）,有助于ZCTS在不牺牲其高比容量的情况下具有优异的循环和倍率性能。此外，掺锡-锌取代是高度可控的，并且基于低成本的资源，这有助于其在实际应用中的高潜力。

图2. .基于ZCTS负极和Na₃V₂ (PO₄) ₃ /C正极的全电池原理图

Synergetic Sn Incorporation-Zn Substitution in Copper-Based Sulfides Enabling Superior Na-Ion Storage, Advanced Materials 2023 DOI: 10.1002/adma.202305957

3. Advanced Functional Materials: 非碳主导的催化剂架构实现双高能量密度锂硫电池

由于碳的低振实密度/低催化活性与不含碳的金属基化合物之间容易团聚使得常用的“碳催化剂”结构作为硫主体难以同时实现锂硫（Li–S）电池的高质量和体积能量密度。

在此，中国科学院金属研究所李峰研究员，孙振华研究员等人报道了一种使用大孔磷化镍/钴(NiCoP)作为锂-硫电池硫宿主的非碳主导催化结构。其中，可容纳大量硫的大孔骨架通过加速e^– 输运、Li⁺扩散以及Ni₂P/CoP异质结构优越的吸附和催化活性，加速了电化学反应动力学。

此外，高振实密度（0.45 g cm⁻³）和坚硬的机械特性有助于NiCoP@S电极在压制和滚压过程后具有优异的结构和物理化学稳定性。这些特性使得Li-S电池在高硫负载量（10.2 mg cm⁻²）和贫电解质（电解质/硫为2 μL mg⁻¹）的条件下表现出优异的电化学性能。

图1. NiCoP催化骨架对LiPS吸附转化的影响

总之，该工作报告了一种硫宿主材料—大孔3D NiCoP框架。该材料使Li-S电池具有双倍高能量密度。容纳丰富硫的大孔骨架可以通过快速电子传输、锂离子扩散以及固有镍的优异吸附和催化活性来加速电化学反应动力学。这些特性使Li-S电池能够在高硫负荷和稀少电解质条件下实现出色的电化学性能。

此外，高振实密度和硬质机械特性有助于NiCoP@S电极在压制和轧制工艺后具有出色的结构和物理化学稳定性。因此，组装好的软包电池可以同时提供345.2 Wh kg⁻¹的质量能量密度和令人印象深刻的952.7 Wh L⁻¹的体积能量密度。

图2. 全电池性能

Non-Carbon-Dominated Catalyst Architecture Enables Double-High-Energy-Density Lithium–Sulfur Batteries, Advanced Functional Materials 2023 DOI: 10.1002/adfm.202308210

4. Advanced Materials：白磷聚合及红磷钾化以实现高性能钾电池

在高温和/或高压下制备P/C（磷/碳）复合材料不可避免地伴随着白磷的形成，白磷的自燃可能引发爆炸事故，从而构成安全隐患。此外，在钾化过程中，K-P化合物的形成能较高，导致红磷的利用率低，反应动力学差，性能受限。要解决上述两个问题，需要加速白磷聚合和P-K合金化反应的动力学。

在此，中国科技大学余彦教授，厦门大学张桥保教授等人通过对白磷聚合中的活化能的分析，发现I₂的最高占据分子轨道（HOMO）能量（-7.40eV）接近P4（-7.25eV），并且I₂分子的最低未占据分子轨道能量（LUMO）（-4.20eV）低于其他常见的非金属分子（N₂、S₈、Se₈、F₂、Cl₂、Br₂）。因此，通过I₂的引入可以促进P-P键的断裂，并加速白磷分子的聚合。

此外，团队通过第一性原理分子动力学（AIMD）模拟表明，I₂可以增强P-K合金化的动力学，所获得的具有I2的红磷/C复合材料具有优异的循环稳定性（在1A g^-1下1200次循环后为358mAh g^-1）。

图1. 制备示意图

总之，该工作通过直接分析断裂P-P键所需的活化能，对白磷聚合过程进行了理论分析，发现白磷分子向红磷的聚合受到6.38eV的高能垒的阻碍。分子轨道能量计算结果表明，I₂（-7.40eV）的HOMO能量与P₄（-7.25eV）相当，并且I₂分子在常见的非金属单质分子（N₂、S₈、Se₈、F₂、Cl₂、Br₂和I₂）中具有最低的LUMO能量（-4.20eV）。因此，I₂被用作催化剂以促进P-P键断裂并引发白磷分子的聚合。

此外，AIMD模拟表明，I₂的引入也可以降低P-K合金化的能垒，增强其反应动力学。实验结果证明I-P@BPC表现出优异的循环稳定性（在1 A g^-1下1200次循环后为358 mAh g^-1）和前所未有的倍率性能（在10 A g^-1下为200 mAh g^-1）。该工作提出了一种催化剂筛选策略，以指导高性能P/C复合负极材料的安全制备。

图2. 全电池性能

Simultaneous Catalytic Acceleration of White Phosphorus Polymerization And Red Phosphorus Potassiation for High-Performance Potassium-Ion Batteries, Advanced Materials 2023 DOI: 10.1002/adma.202306512

5. Nature Materials：聚合物序列实现高性能固态锂电池

传统的聚合物电解质在室温下的离子导电性远低于液体和陶瓷电解质，限制了它们在电池中的实际应用。

在此，复旦大学陈茂教授，昆山杜克大学林欣蓉副教授和马萨诸塞理工学院Yang Shao-Horn教授等人通过在交替的聚合物序列中精确放置设计的重复单元，实现了锂离子的均匀分布、非聚集的锂离子-阴离子溶剂化以及通过序列协助的点对点离子迁移，从而将锂离子导电性调整高达三个数量级。

图1. 不同聚合物序列中Li⁺解离的分析

总之，该工作发现序列控制对锂离子的解离和传导具有根本性影响，它赋予聚合物侧链期望的链运动性能，克服了固态聚合物电解质的离子传输固有限制。通过使用交替排列的氟化锂盐和PEO挂链，研究人员提高了离子分布的分子级均一性，调控了阴离子-Li⁺络合反应，从而提高了Li+的解离，实现了独特的序列辅助PEO-Li⁺-阴离子迁移。

此外，交替排列的单离子聚合物电解质（SIPE）能够在室温下实现全固态锂金属电池的运行，解决了固态电解质长期以来的问题。这项研究表明，聚合物序列可以更精细地编程，各种功能可以被设计，为在锂电池之外的能源设备中实现高效的离子传输和多功能离子导电材料开辟了新途径。

图2. 电池性能

Sequencing polymers to enable solid-state lithium batteries, Nature Materials 2023 DOI：10.1038/s41563-023-01693-z

6. Nature Catalysis：机器学习辅助设计二元描述符，破译硫反应动力学的电子和结构效应

向锂硫电池中引入高活性催化剂，例如过渡金属化合物（TMC），已被证明是提高反应动力学的有效策略。TMC的金属中心具有部分填充的d轨道，被认为是催化反应的活性中心，其与多硫化锂中硫p轨道之间的d-p轨道杂化状态，已被广泛用于分析催化效应机制。然而非金属与多硫化锂中锂之间的相互作用，虽然在不同TMC催化剂中普遍存在，却一直缺乏深入理解。

在此，清华大学深圳国际研究生院周光敏教授团队基于密度泛函理论与机器学习算法，提出可用于筛选锂硫电池TMC催化剂的二元描述符。该二元描述符由能带匹配指数（IBand）与晶格错配指数（ILatt）组成，分别描述了电子状态与几何结构对于催化效应的贡献。文章以镍基TMC催化剂为模型体系验证二元描述符，成功揭示了TMC催化剂非金属位点在多硫转化动力学中的作用。研究发现IBand与ILatt分别与吸附过程及反应过程相关联，具有适中IBand与最小ILatt的NiSe₂，被预测可有效提升硫反应动力学。

经实验验证，基于NiSe₂组装的锂硫电池，可在15.0 mg cm^-2的硫面负载或-20℃的低温下实现良好的循环稳定性。本文采用添加NiSe₂的正极，可在高硫载量与贫电解液条件下，构筑402 Wh kg^-1的软包电池。

图1. 从电子效应角度揭示TMC催化剂中非金属的影响机制

总之，该工作应用DFT在考虑催化体系的电子和结构特性的同时鉴定了经过实验验证的BD，以指导锂硫电池高效催化剂的设计，并且提出IBand和ILatt作为筛选锂硫电池中TMC催化剂的电子效应和结构效应描述符。

此外，本文采用机器学习方法，基于IBand和ILatt构建二元描述符。通过同时考虑轨道耦合和晶格畸变效应，更全面地理解催化活性影响机制。最后基于筛选出的NiSe₂催化剂组装Ah级锂硫软包电池，在17.3mg cm^-2高硫面载量和4 μL mg^-1 贫电解液条件下，可实现402 Wh kg^-1高能量密度。因此，拟议的BD由电子和结构方面组成，为分析LiPS转化和设计高效催化剂提供了一个合理的观点，并可作为通用描述符进一步应用于其他TMC。

图2. TMC催化剂中非金属对电化学性能的影响

Machine-learning-assisted design of a binary descriptor to decipher electronic and structural effects on sulfur reduction kinetics, Nature Catalysis 2023，DOI:10.1038/s41929-023-01041-z

7. Nature Communications：安时级软包钾离子混合电容器实现6分钟快速充电

安培-小时(Ah)规模的电化学储能设备的极快充电目标是充电时间少于10分钟，以促进广泛采用。然而，由于其固有的反应机理和高电流密度下的安全隐患，这一指标在传统的锂离子电池中很难实现。

在此，湖南大学罗胜联，周海晖，帝国理工学院焦树强，赵云龙等人报道了1Ah型软包装钾离子混合型超级电容器（PIHC），它结合了电池型负极的高能量密度和电容型正极的高功率密度的优点。具体而言，PIHC由富含缺陷、高比表面积的N掺杂碳纳米管基正极、镶嵌间距扩大的MnO量子点的碳纳米管基负极、碳酸盐基非水电解液以及无粘结剂和集电器的电池设计组成。

通过对电池配置、电极和电解液的优化，电池电压高达4.8 V，高达140 Wh kg⁻¹(以整个器件质量为基准)的高满电池比能量，充满6分钟。在10 C(10A)下循环200次后，容量保持率为88%，在25±1 ℃时的电压保持率为99%。

图1. N-CNTs@MC//MnO@CNTs 扣式全电池的电化学性能

总之，该工作对钾离子基器件进行了整体优化，实现了可快速充电的高能量密度1 Ah PIHCs软包电池，具有140 Wh kg^-1的高比能量（基于器件整质量）、优异的性能（6分钟充满电）和良好的循环稳定性（10 C条件下循环200次，容量保持率88%）等超强综合性能。

该比能量接近传统锂离子电池在 1 C 下的比能量，是 Ah 级储能设备在极速充电方面的重大突破，显示出其在耗电便携设备和电动汽车等合理电池配置方面的高度商业应用前景。通过优化孔隙率和扩大间距的结构设计，以及引入 N 掺杂和嵌有MnO 以促进表面电子再分布，成功实施了所提出的赝电容调制策略。此外，团队还开发了一种有效的技术，用于制造轻质、耐腐蚀的独立电极，从而实现 4.8 V 的高电压和更高的整体能量密度

图2. N-CNTs@MC//MnO@CNTs Ah 软包电池的电化学性能

Ampere-hour-scale soft-package potassium-ion hybrid capacitors enabling 6-minute fast-charging, Nature Communications 2023 DOI: 10.1038/s41467-023-42108-6

8. Angewandte Chemie International Edition：金属有机聚合物分子工程促进硝酸盐电还原制NH3和锌-硝酸盐电池

MOF的结构明确，并且功能可调控，是具有前景的单一位点催化剂用于电催化还原NO₃^–制备高附加值NH₃。

在此，香港城市大学支春义团队提出一种分子工程增强NO₃^–电催化还原制备NH₃的方法，这种分子工程通过向MOF引入羰基官能团的方式精确调控金属位点的电子结构。具体而言，因为羰基官能团具有拉电子作用，金属催化位点的电子结构转变为缺电子状态，促进NO₃^–吸附和加氢转化为NH₃。相比于CuBTA的NO₃^–转化为NH₃的催化活性非常低，CuTABQ的NO₃^–转化反应NH₃法拉第效率达到97.7 %。

图1. 理论计算

总之，该项工作提出的分子工程策略具有普适性优势，比如Co或者Ni等金属位点MOF的电催化转化反应都表现改善的NO₃^–转化为NH₃催化活性。基于CuTABQ构筑Zn-NO₃^–电池的功率密度达到12.3 mW cm^-2。因此该项工作展示了在分子尺度进行理性设计金属催化剂，能够改善NO₃^–还原制备NH₃的性能。

图2. 电化学性能

Molecular Engineering of a Metal-Organic Polymer for Enhanced Electrochemical Nitrate-to-Ammonia Conversion and Zinc Nitrate Batteries, Angewandte Chemie International Edition 2023 DOI: 10.1002/anie.202309930