电池顶刊集锦：陈人杰、范红金、周光敏、葛明政、王殿龙、蒋永、唐浩林、程义等成果！

1. 北理陈人杰/黄永鑫Adv. Sci.：利用动力学-机械学耦合的界面工程实现高可逆锌离子电池

由于锌（Zn）金属的热力学不稳定性导致的枝晶和析氢反应等问题，阻碍了水系锌离子电池（AZIBs）的实际应用。通过界面工程改性锌表面可以有效解决上述问题。

图1. G&B-S界面的作用示意及表征

北京理工大学陈人杰、黄永鑫等制备了磺酸盐钝化石墨烯-硼烯纳米片（G&B-S）复合界面层，以通过简单、绿色的电镀方法来调节锌的沉积/剥离，并减轻与电解液的副反应。

研究显示，由于磺酸盐基团的电负性，G&B-S界面通过快速脱溶剂化过程和均匀的界面电场减轻了尖端效应，从而促进了无枝晶的沉积行为。理论计算和石英晶体微天平（QCM-D）实验证实了G&B-S界面层的快速动态机制和优异的机械性能。

图2. 半电池性能

结果，通过动态-机械耦合作用，G&B-S@Zn对称电池在5 mA cm^-2的高电流密度下可循环使用1900小时，过电位低至≈30 mV。此外，当与LMO阴极耦合时，LMO//G&B-S@Zn电池也表现出优异的性能，这表明G&B-S@Zn阳极具有出色的耐久性。因此，这种新型多功能界面层为显著提高AZIBs的电化学性能提供了一种可行的方法。

图3. LMO//G&B-S@Zn电池性能

Interface Engineering with Dynamics-Mechanics Coupling for Highly Reactive and Reversible Aqueous Zinc-Ion Batteries. Advanced Science 2023. DOI: 10.1002/advs.202306656

2. 南通大学葛明政/张伟等Adv. Sci.：快充纤维基电极，20C循环10000次！

由于块体材料中离子/电子转移动力学迟缓以及活性材料碎裂，开发具有超快充电和大量储能的转换型阳极具有相当大的挑战性。

图1. 材料制备及表征

南通大学葛明政、张伟、香港城市大学Dong Lv等结合静电纺丝、碳化和硫化技术，开发出了具有快速充电、大容量和长寿命的中空多孔碳纳米纤维包裹SnS₂纳米片复合电极（SnS₂@N-HPCNFs）。

研究显示，一维（1D）内部中空空间容纳了SnS₂纳米片巨大的体积变化，而其表面的外部多孔性则促进了离子的快速扩散。同时，三维氮掺杂的碳纳米纤维网络不仅提供了快速的电子传递途径，还减少了电荷载流子的传输载体，并增强了SnS₂@N-HPCNFs异质界面对锂离子的吸附。此外，少层SnS₂纳米片还增强了反应动力学，并做出了赝电容贡献。

图2. 动力学研究

因此，SnS₂@N-HPCNFs电极在0.1C时的比容量高达1935.50 mAh g^-1，在1C到 30C之间具有优异的倍率能力；此外，它在30C（≈19.20 A g^-1）时具有289.6 mAh g^-1的超高倍率容量，并表现出卓越的循环稳定性，即使在20C下循环3000次后，容量保持率仍高达84%，循环寿命长达10000次。这项工作为构建用于快速充电储能设备的高离子/电子导电性电极提供了深刻的见解。

图3. SnS₂@N-HPCNFs电极的电化学性能研究

Fast Energy Storage of SnS2 Anode Nanoconfined in Hollow Porous Carbon Nanofibers for Lithium-Ion Batteries. Advanced Science 2023. DOI: 10.1002/advs.202306711

3. 新南威尔士大学AM：用于耐用水系锌电池的高效低浓度添加剂

水系锌电池化学的基本优势源于高能量的锌金属阳极和温和的水系电解液。然而，锌的腐蚀和相关的枝晶问题暴露了它们的不兼容性，这对在实用条件下提高循环寿命提出了挑战。虽然电解液添加剂是一种可扩展的策略，但能在低浓度下发挥作用的添加剂仍然难以找到。

图1. 低体积浓度电解液添加剂的筛选

新南威尔士大学Priyank Kumar、Dipan Kundu等筛选了一系列烷醇和烷二醇作为水系锌电池的潜在电解液添加剂，发现1,2-丁二醇和戊二醇是非常有效的添加剂，它们能够在实际上理想的低（1%）体积浓度下延长锌阳极的可充电性，这是因为它们能够在锌上形成界面膜，起到动态SEI的作用。

以1,2-丁二醇为重点的深入研究表明，在竞争性循环参数（包括高锌放电深度、最佳隔膜厚度和电解液容量比）条件下，锌腐蚀被显著抑制，这是延长半电池和全电池循环能力的关键因素。

图2. 1%1,2-丁二醇添加剂使锌循环稳定

这种独特的机理作用可有效缓解腐蚀和枝晶，使锌的循环能力提高5到20倍，库仑效率高达99.9%，并改善了在高温等苛刻条件下的全电池性能。最后，作者采用了基于机器学习（ML）的分析方法，根据关键的物理化学描述符对添加剂的性能进行了合理化分析，从而展示了ML在寻找水系锌电池电解液添加剂方面的潜力。

图3. 基于机器学习的添加剂性能合理化

Highly Potent and Low-Volume Concentration Additives for Durable Aqueous Zinc Batteries: Machine Learning-Enabled Performance Rationalization. Advanced Materials 2023. DOI: 10.1002/adma.202309212

4. 哈工大王殿龙/王博EnSM：用于锂金属电池的高性能插层复合固态电解质

复合固态电解质（CSEs）结合了无机和有机固态电解质的优点，与电极的界面良好，有望成为最有前景的固态电解质。然而，低室温离子导电性限制了CSEs在锂金属电池中的应用。

图1. 材料设计

哈尔滨工业大学王殿龙、王博等设计了一种基于聚偏二氟乙烯-六氟丙烯（PVDF-HFP）的插层CSE。其中，高岭土（2SiO₂-Al₂O₃-2H₂O）被用作氧化阻燃剂，使材料具有不燃性；极性分子二甲基亚砜（DMSO）作为预插层处理剂插入高岭土层之间，在PVDF-HFP基SPE 中充当有机添加剂。CSE的插层结构提供了快速的Li⁺传输通道，因此在室温下具有较高的离子电导率（8.58×10^-4 S cm^-1）和较大的Li⁺传输数。

图2. 半电池性能

受益于上述优势，采用制备的CSE的锂||锂对称电池在0.2 mA cm^-2的电流密度和0.2 mAh cm^-2的容量条件下具有超过1400小时的出色循环稳定性。此外，组装后的Li||LiFePO₄电池在0.5 C下初始容量高达140.5 mAh g-1，循环800次后，容量保持率为81.2%。总体而言，这项研究为开发高安全性锂金属电池开辟了一条新途径。

图3. 全电池性能

High-performance intercalated composite solid electrolytes for lithium metal battery. Energy Storage Materials 2023. DOI: 10.1016/j.ensm.2023.103109

5. 范红金AEM：通过阴极添加剂固定聚碘化物实现高倍率锌-碘电池

水系锌-碘电池（AZIB）具有成本低、比容量高的优点，但存在可溶性多碘化物穿梭和氧化还原动力学缓慢的问题。

图1. 𝛼-ZrP/EI-ZrP材料的表征

新加坡南洋理工大学范红金等通过采用一种阴极添加剂（磷酸氢锆；简称EI-ZrP）来解决上述两个问题，这种添加剂具有双重功能：既是多碘化物的封闭剂，又是锌离子传输的丰富通道。研究发现，EI ZrP增大的晶体夹层（从典型的7.5Å增大到18.3Å），大大增强了离子导电性，同时固定了多碘化物，从而加速了转化过程。

图2. 𝛼-ZrP和EI-ZrP中多碘化物的吸附率分析

结果，本研究采用含有EI-ZrP碘阴极的AZIB在10,000次循环周期内表现出较高的容量保持率（每循环周期的衰减率为 0.02‰），采用水凝胶纸作为隔膜和EI-ZrP添加剂构建的准固态Zn-I₂软包电池，在反复弯曲的情况下也能提供高面积容量。

此外，作为概念验证演示，这种纸电池被集成到无线柔性压力传感器系统（WFPSS）中。这一策略可能有助于为储能和柔性便携式电子产品合理设计转换型阴极材料。

图3. 含有各种阴极添加剂的AZIB的电化学性能

Immobilizing Polyiodides with Expanded Zn2+ Channels for High-Rate Practical Zinc-Iodine Battery. Advanced Energy Materials 2023. DOI: 10.1002/aenm.202302738

6. 蒋永/赵兵/徐毅Nano Energy：双层电子屏蔽界面助力高稳定无枝晶固态锂金属电池

全固态锂金属电池（ASSLMB）因其高能量密度和更强的安全性能，已成为前景广阔的储能设备。然而，与锂/电解质界面稳定性和离子传输效率有关的挑战阻碍了硫化物基ASSLMB的实际应用。

图1. 双层界面的概念示意

上海大学蒋永、赵兵、徐毅等提出了一种新颖的双层界面概念，即通过锂金属与有机氟化物（双(2-甲氧基乙基)氨基三氟化硫：BASF₃）的原位转化反应，调节Li/Li₆PS₅Cl界面人工层的组成和表面均匀性。

通过密度泛函理论（DFT）计算，精心设计的保护层展示了富含有机物的柔性上层和富含LiF的下层的分层梯度结构，并证明了它们的优势。具体而言，具有高附着功（Wad）的柔性层的加入改善了界面润湿性，防止了锂负极的体积膨胀，并保护了固态电解质的完整性。

此外，由于具有高界面能，LiF在抑制锂枝晶生长方面发挥了关键作用。另外，双层结构还起到电子阻挡层的作用，阻碍电子隧穿，最大限度地减少硫化物固态电解质的电流泄漏。

图2. 半电池性能

因此，分层梯度结构设计实现了无枝晶的致密锂沉积，保证了整个循环过程中界面的稳定和安全接触。作为对这一概念的证明，对称电池的临界电流密度（CCD）已提高到1.9 mA cm^-2，并在基于FeS₂和LiCoO₂正极的ASSLMB中实现了稳定的长期循环性能。

图3. ASSLMB的电化学性能

A tailored dual-layer electronic shielding interface enables highly stable and dendrite-free solid-state lithium metal batteries. Nano Energy 2023. DOI: 10.1016/j.nanoen.2023.109150

7. 周光敏AEM：多孔高负载电极与凝胶聚合物电解质集成助力高性能准固态电池

锂离子电池（LIBs）的实际应用受到使用液态电解液（LE）的安全问题的挑战。凝胶聚合物电解质（GPEs）被认为是解决这一安全问题的有前景的候选者。此外，采用高重量负载电极对于实现高能量密度是必不可少的，但电极和电解质之间的不良界面接触仍然是一个具有挑战性的问题，特别是对于高重量负载的电极。

图1. GPE的结构和性能表征

清华大学深圳国际研究生院周光敏等采用坚固的三聚氰胺-甲醛海绵骨架在具有高重量负载的多孔电极中创建了高效的电子/离子传导通道。

具体而言，这项工作将GPE的液体前驱体渗透到电极的整个孔中，然后使用热固化进行聚合。多孔结构不仅增强了电极和电解质之间的界面接触，而且增强了锂离子的扩散，这使得锂离子通量均匀分散，并有效地使局部电流密度均匀化，以降低反应极化，从而提高了活性材料的利用率，实现了均匀的锂沉积。

图2. 半电池性能

因此，本文采用具有高负载多孔电极和原位聚合GPE集成的半电池和无阳极全电池提供了优异的放电容量和循环稳定性。此外，结合多孔LiFe_0.4Mn_0.6PO₄(LMFP)和GPE的软包电池表现出高安全性和稳定性。因此，这项工作为高能量密度和安全的锂离子电池的商业大规模生产和应用提供了一种简单有效的方法。

图3. 无阳极全电池性能

Integration of Porous High-Loading Electrode and Gel Polymer Electrolyte for High-Performance Quasi-Solid-State Battery. Advanced Energy Materials 2023. DOI: 10.1002/aenm.202302476

8. 武理唐浩林/中南程义AFM：氧化钇纳米团簇修饰催化剂助推锌-空气电池

与氮配位的原子分布过渡金属被认为是一类前景广阔的氧还原反应（ORR）催化剂。然而，长期以来，Fe-N_x活性位点的无效分布一直是个难题，这导致活性位点密度低、性能不稳定，而这正是下一代ORR电催化剂需要克服的问题。

武汉理工大学唐浩林、中南大学程义、诺森比亚大学Ben Bin Xu等将钇（Y）引入到原子分散的铁（Fe）氮共掺杂碳材料中，使纳米颗粒、纳米团簇和原子位点融为一体，从而赋予了Fe-N₄-Y₂O₃和Fe₄N_0.94-Y₂O₃ （FeY-NC）出色的ORR活性。在碱性和酸性条件下，FeY-NC的半波电位分别达到0.926和0.809 V。在碱性条件下，0.9 V下的动力学电流密度为31.2 mA cm⁻²，是Fe-NC的7.8倍和Pt/C的32.4倍。

图2. 电催化性能研究

FeY-NC之所以具有如此出色的活性，是因为其产生了原子分布的FeN₄和Fe₄N纳米粒子双活性位点，并在氮掺杂碳（NC）网络上负载了Fe-N_x/Fe₄N_0.94与Y₂O₃纳米团簇之间的协同效应。在一次锌-空气电池中，FeY-NC的卓越性能得到了验证，其峰值功率密度达到了233 mW cm^-2。

此外，其他稀土元素（如钪和镝）也表现出很高的协同效应，这表明在NC中进行铁与稀土元素共掺杂可为提高ORR性能提供一种有前途的策略。

图3. 锌-空气电池性能

Yttrium Oxide Nanoclusters Boosted Fe-N4 and Fe4N Electrocatalyst for Future Zinc–Air Battery. Advanced Functional Materials 2023. DOI: 10.1002/adfm.202311084

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