陈忠伟/王新Adv. Sci.：面向极端温度应用的锂金属电池电解质设计

由于锂金属的高理论容量和低还原电位，基于锂金属负极的电池（LBs）在社会上的需求量很大。预计它们将在性能关键领域（包括电动汽车、电网存储、空间和海上车辆运营）得到越来越多的部署。不幸的是，当LBs在极端温度条件下运行时，锂离子化学不能达到最佳性能，无法实现竞争性能。

加拿大滑铁卢大学陈忠伟、华南师范大学王新等人简要概述了开发低温(<0 °C) 和高温(>60 °C)运行的LBs面临的挑战，并介绍了LBs的电解质设计策略，包括锂盐改性、溶剂化结构优化、添加剂引入和固态电解质利用。

具体地，对锂金属电池（LMBs）、锂硫电池（Li-S）和锂氧电池（Li-O₂）在低温和高温下的应用前景进行了评价。这三种化学作为典型的例子用以阐述如何克服传统的低温电荷转移阻力和高温副反应。

最后，为极端温度电解液的未来发展提供了有意义的视角，并指出电解液设计向实际应用的研究方向。

图1 助溶剂改性电解液低温性能

图2 优化阳离子溶剂化结构

Electrolyte Design for Lithium Metal Anode-Based Batteries Toward Extreme Temperature Application. Advanced Science 2021. DOI: 10.1002/advs.202101051

AEM：织物型锂离子电池负极实现高比容量和高倍率性能

同时实现高储能性能和快速倍率能力是电池技术中最关键的挑战之一。韩国高丽大学Jinhan Cho、大邱庆北科学技术学院Yongmin Ko、美国佐治亚理工学院Seung Woo Lee等人报道了一种具有显著比容量和高倍率能力的高性能织物正极，它通过界面相互作用介导的组装，可以直接桥接织物和导电材料之间以及导电材料和活性材料之间存在的所有界面，最大限度地减少不必要的绝缘有机物。

首先，将胺(NH₂)和羧酸(COOH)官能化的多壁碳纳米管(MWNT)交替逐层地(LbL)组装到纤维素纺织品上，以使用氢键相互作用制备导电纺织品。二油酰胺稳定的LiFePO₄纳米粒子（DA-LFP-NPs）在有机介质中具有高结晶度和高分散稳定性。DA-LFP-NPs通过LFP-NPs表面结合的天然DA配体和MWNTs的NH₂基团之间的配体置换，与MWNT-NH₂连续LbL组装到导电织物上。在这种情况下，35 nm大小的LFP-NPs 密集且均匀地吸附到纺织品的所有区域，此外，它们的面容量根据沉积数量增加，而不会显著损失电荷转移动力学。

结果，纺织电极在0.1 C下实现了2.9 mAh cm^-2的高面容量（即面负载为15.2 mg cm^-2 时为191 mAh g^-1），并具有高倍率性能，远远超过传统浆料涂覆电极的性能。重要的是，该纺织电极还具有优异的结构稳定性，通过简单折叠能够将面积容量进一步增加至 8.3 mAh cm^-2（对于45.9 mg cm ^-2at 0.1 C)，而不会显著损失比容量和倍率性能。

图1 制备示意图

图2 电化学性能

Textile-Type Lithium-Ion Battery Cathode Enabling High Specific/Areal Capacities and High Rate Capability through Ligand Replacement Reaction-Mediated Assembly. Advanced Energy Materials 2021. DOI: 10.1002/aenm.202101631

Nano Today：用于能量存储和转换的尖端富磷金属磷化物

开发具有成本效益的高性能电化学材料对于促进清洁能源存储和转换非常重要。最近，富磷（P-rich）金属磷化物（MPs）因其在锂离子电池（LIBs）、钠离子电池（SIBs）、析氢反应（HER）、析氧反应（OER）和太阳能电池（SCs）等方面的显著优势而成为储能和能量转换领域的前沿材料。

哈尔滨工程大学刘志亮、杨飘萍、北京大学郑捷等人从典型结构、主要合成方法和多样化的先进应用等方面总结了富磷MPs在储能和转换方面的最新进展。

首先总结了富磷MPs的典型结构特征和合成策略。然后，将富磷MPs分为三类，包括非贵金属过渡金属磷化物（TMPs）、贵金属MPs和主族MPs。对于每种类型，作者描述了用于LIBs/SIBs、电催化HER/OER、光催化和光电催化HER或 SCs的相应富磷材料的主要进展和优势。

深入讨论了相应的电化学反应机理、组成/结构设计和富磷MPs的预期性能，以提供对理论-组成/结构-性能关系的深刻见解，并揭示优异电化学性能背后的原因。最后，强调了几个潜在的挑战和鼓舞人心的前景，为富磷MPs的未来研究和应用提供指导。

图1 四种典型的富P MPs晶体结构：（a）CuP₂，（b）IrP₂，（c）CoP₃和（d）GeP₅

图2 红磷、NaH₂PO₂、TOP、PCl₃和植酸等不同磷源的富磷MPs的合成方法示意图

The cutting-edge phosphorus-rich metal phosphides for energy storage and conversion. Nano Today 2021. DOI: 10.1016/j.nantod.2021.101245

Nano Today：超薄Co-Bi纳米片电催化剂调节锂硫电池中的多硫化物中间体

硫的差导电性、缓慢的反应动力学和多硫化物的穿梭阻碍了锂硫（Li-S）电池的实际应用。液态多硫化物中间体，将硫与Li₂S的电化学反应连接起来，对电池性能起着决定性作用。

山东大学徐立强、赵明文等人首次报道了在还原氧化石墨烯（Co-Bi/rGO）复合材料上紧密生长的Co-Bi纳米片，以调节多硫化物中间体。

Co-Bi/rGO宿主具有以下五点有利于高性能Li-S电池的优点：(1)活化的Co-Bi纳米片不仅可以化学结合多硫化物，同时还可以促进多硫化物的氧化还原；(2)rGO作为导电骨架提供快速电子通路；(3)独特的二维结构使丰富的化学吸附位点暴露于多硫化物；(4)高表面积和多孔结构确保硫的均匀分布和大的可及氧化还原面积；(5)Co-Bi和rGO的紧密结合保证了多硫化物的顺利捕获-扩散以促进氧化还原动力学。

因此，Co-Bi/rGO-S 正极在0.2 C下可提供1334 mAh g^-1的高容量、高达8 C的的倍率性能、在1 C下超过500次循环的出色循环稳定性以及8.3 mAh cm^-2的显著面容量。来自理论计算的化学结合强度、吉布斯自由能和过渡态的能垒为 Co-Bi对多硫化物的调节提供了深入的了解。

图1 Co-Bi/rGO对多硫化物的调节

图2 电化学性能

Regulating polysulfide intermediates by ultrathin Co-Bi nanosheet electrocatalyst in lithium−sulfur batteries. Nano Today 2021. DOI: 10.1016/j.nantod.2021.101246

AFM：局部强溶剂化电解液平衡Li-O₂电池的容量和循环寿命

Li-O₂电池具有超高理论能量密度，是一种具有很有前景的储能装置。然而，在实践中，它们表现出严重的容量衰减和有限的循环寿命，这意味着迫切需要更合适的电解液。

北京理工大学陈人杰、陈南等人采用DMSO作为强溶剂（高施主数）、四乙二醇二甲醚（TEGDME）作为弱溶剂（低施主数）及LiTFSI为锂盐，制备了一种局部强溶剂化效应电解液（LSSE）。

研究发现，具有高施主数的溶剂优先与Li⁺形成强溶剂化结构，而低施主数溶剂的加入不会破坏这种溶剂化结构。LSSE通过结合高施主数溶剂的溶解能力和低施主数溶剂的稳定性来提供高容量。共溶剂还改善了电解液的润湿性能，并可以诱导电池放电反应向溶剂化机制进行。此外，LSSE中产生的放电反应产物呈大颗粒形式，不会堵塞正极的孔隙。

结果，当优化的电解液用于Li-O₂电池时，可实现高放电容量和良好的循环性能。优化的电解液抑制了电池内的副反应，并促进了锂负极表面稳定的固体电解质界面膜的形成。这项工作为设计高性能电解液以提高Li-O₂电池的容量和循环寿命开辟了一条新途径。

图1 电解液表征

图2 电化学性能

Local Strong Solvation Electrolyte Trade-Off between Capacity and Cycle Life of Li-O₂ Batteries. Advanced Functional Materials 2021. DOI: 10.1002/adfm.202101831

AFM：磷酸锂官能化聚合物涂层实现NCM811优异的室温和高温性能

高能富镍锂过渡金属氧化物，如Li[Ni_0.8Co_0.1Mn_0.1]O₂(NCM811)是下一代锂电池的有吸引力的正极材料。然而，储存期间对潮湿空气的高敏感性以及与普通有机电解液的高反应性，尤其是在高温下，阻碍了它们的商业应用。

德国赫尔姆霍兹研究所Dominic Bresser、Stefano Passerini、法国格勒诺布尔-阿尔卑斯大学Cristina Iojoiu等人报道了一种有效的策略，即通过用磷酸锂官能化聚芳醚砜涂覆NCM811颗粒来克服这些问题。

这种涂层通过抑制储存和加工时与潮湿空气（即H₂O和CO₂）以及循环时与电解液（尤其是在高温下）的有害副反应，解决了富镍NCM最具挑战性的问题，即循环稳定性差和热稳定性低。

因此，涂覆的NCM811基正极在室温以及在高达60℃的高温（非涂覆NCM811电极迅速失效的温度）下显示出优异的库仑效率和循环稳定性，这是由于形成了具有增强的锂离子传输动力学和良好保留的层状晶体结构的稳定正极电解质界面。这些结果使得提出的涂层策略普遍适用于高性能锂电池正极。

图1 材料表征

图2 40°C和60°C下的电化学性能

Lithium Phosphonate Functionalized Polymer Coating for High-Energy Li[Ni_0.8Co_0.1Mn_0.1]O₂ with Superior Performance at Ambient and Elevated Temperatures. Advanced Functional Materials 2021. DOI: 10.1002/adfm.202105343

EnSM：不燃电解液中原位形成稳定的界面层助力高性能金属钠负极

钠金属电池（SMBs）由于其能量密度高、成本低和资源丰富，在大规模储能系统中具有巨大的应用潜力。然而，SMBs面临着具有挑战性的问题，例如低可逆性和沉积/剥离过程中的枝晶生长。

西湖大学文燎勇、澳大利亚卧龙岗大学Chao Wu等人报道了一种采用氟代碳酸亚乙酯(FEC)和1,3,2-二氧杂硫杂环戊烷2,2-二氧化物 (DTD) 的不可燃电解液。

该电解液可以原位生成稳定的固体电解质界面(SEI)层，有效抑制副反应，并防止枝晶生长。这归因于SEI层多组分的协同作用，包括含硫化合物（Na₂S、Na₂SO₃和有机含硫盐）、NaF 和磷酸盐 (Na3PO4)。

此外，DTD添加剂显著提高了SEI层的稳定性和完整性，这不仅使无枝晶的Na沉积/剥离在250次循环中的平均CE高达93.4%，而且使Na||Na对称电池在1 mAh cm^-2下稳定超过1350小时，甚至在5 mAh cm^-2下稳定超过720小时。

图1 Na||Al电池和Na||Na对称电池的电化学性能

图2 SEI层的XPS表征及示意图

An In-Situ Formed Stable Interface Layer for High-Performance Sodium Metal Anode in A Non-Flammable Electrolyte. Energy Storage Materials 2021. DOI: 10.1016/j.ensm.2021.07.012

EnSM：为长寿命锂金属负极定制蛋白质结构

由于锂（Li）枝晶的不可控生长，可充锂金属电池（LMB）面临着安全性和寿命短的问题。富含多种极性基团的天然生物分子可能具有高亲锂性，显示出抑制枝晶生长的潜力。然而，除了化学成分外，它们与自然界的结构差异对其功能也产生了显著的影响，这一点目前还没有研究。

美国华盛顿州立大学Wei-Hong Zhong、北京化工大学Jin Liu等人通过实验和分子模拟，发现了一种消除锂枝晶的天然材料，即玉米醇溶蛋白（Zein），并通过调整其结构来实现长寿命锂负极，成功地增强了其枝晶抑制能力。

通过使用强力变性剂将紧密的蛋白质结构彻底展开和打开得到了一种“强消除配置”（SRC-Zein）。与折叠的蛋白质相比，通过SRC-Zein对隔膜进行改性可更有效地抑制锂枝晶，并且产生更出色的电解液润湿性、更高的离子电导率 (2.0 mS/cm) 和更高的Li⁺转移数 (0.68)。这些重要的特性在均匀离子沉积和抑制锂枝晶的成核/生长方面发挥协同作用。

结果，对称Li/Li电池在2 mA/cm²下表现出超过1400小时的优异循环稳定性。此外，采用SRC-Zein改性隔膜的半电池在容量、循环稳定性和倍率性能方面表现出显著增强。

图1 调整蛋白质构型以抑制锂枝晶

图2 沉积状态下循环铜电极的形态研究

Natural “Relief” for Lithium Dendrites: Tailoring Protein Configurations for Long-life Lithium Metal Anodes. Energy Storage Materials 2021. DOI: 10.1016/j.ensm.2021.07.010

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陈忠伟/王新Adv. Sci.：面向极端温度应用的锂金属电池电解质设计

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