1. Energy & Environmental Science：溴化物不易燃电解质用于安全、长寿命钠金属电池
钠金属电池(SMBs)由于其丰富的钠含量和高的重量容量而成为最有前途的储能技术之一。然而，SMB的安全应用受到活性金属钠和高度易燃电解质的阻碍（例如不可控枝晶生长、气体和火灾问题）。
在此，香港中文大学卢怡君团队报告了一种新型溴基不易燃电解液，用于金属钠电池，该电解液使用阻燃的 2-溴-1-（2-溴乙氧基）乙烷（BBE）溶剂。由于自由基清除剂解离的能垒较低，这种溶剂不仅比典型的 P、Cl、F 基不易燃溶剂具有更高的阻燃性，而且还衍生出一种含有 NaBr 的固态电解质界面 (SEI)，具有较高的离子传导性，可抑制钠枝晶和气化问题。
基于 BBE 的电解质延长了Na3V2(PO4)3/Na 电池的循环寿命（80% 容量保持率），从传统电解质的 60 次循环延长到 1500 次循环，并保证了 Na/Na 对称电池 1400 小时的稳定循环。研究人员进一步展示了一种钠金属软包电池，在 1C 下循环 264 次后，容量保持率达到 97.9%。
图1. 溴基不易燃电解质的基本特性
总之，该工作利用易解离和有效终止的溴化物清除剂，开发出了一种溴基不易燃电解液。与其他类别的清除剂（包括 F、P、Cl 类阻燃剂）相比，溴系清除剂显示出更高效的阻燃能力。
此外，从电解质中衍生出的含 NaBr 的固体电解质界面可以促进钠离子的传输，从而有助于抑制枝晶的生长和产气问题。在使用 100 μm钠金属负极的软包电池中，也证明了这种电解质的升级潜力。这种基于溴化物的不易燃电解质设计为安全、长寿命钠金属电池的阻燃溶剂开辟了一条新的道路。
图2. 金属钠软包电池演示
Bromide-based nonflammable electrolyte for safe and long-life sodium metal batteries, Energy & Environmental Science 2023 DOI: 10.1039/d3ee03332e
2. Angewandte Chemie International Edition：极端工作条件下锂-硫电池的部分离子对溶剂化结构设计
在极端工作条件下提高能量密度仍然是充电电池面临的一大挑战。在此，加州大学圣地亚哥分校陈政团队展示了一种全氟酯类电解质，由部分氟化的羧酸酯和碳酸酯组成。这种电解质具有耐高温的物理化学特性和适度的离子对溶解，从而在单一电解质中形成了一半溶剂分离离子对和一半接触离子对。因此，在不影响离子电导率（即使在 -40 ℃ 时也大于 1 mS cm-1）的情况下，实现了以 LiF 为主的界面阴离子/含氟助溶剂的去溶剂化和优先还原。
研究发现，即使在极端工作条件下，这些优势特性也适用于锂金属电极和硫电极，从而使具有高 SPAN 负载（> 3.5 mAh cm-2）和薄锂负极（50 µm）的锂-硫化聚丙烯腈（SPAN）全电池能够在 -40、23 和 50 ℃ 下稳定循环。
图1. 电解质设计
总之，该工作开发出了一种全氟酯类电解质，其中包括部分氟化的羧酸酯和碳酸酯，适用于在极端温度下运行的高面载Li-S 全电池。研究表明，与不含氟的同类电解质相比，部分含氟的羧酸酯和碳酸酯溶剂体系中的Li+/阴离子和Li+/氟化共溶剂结合力更强。这种具有半阳离子/阴离子对的全氟化电解质，即使在很宽的温度范围内，也能在不影响离子导电性的情况下，实现轻松去溶剂化和以 LiF为主导的界面。
因此，该项工作为优化未来的电化学装置确立了新的设计原则，使其在宽温度范围内具有可调的盐解离和溶剂去溶剂化特性。同时它还为设计耐高温电解质提供了一条可行的途径，以支持在极端条件下工作的高能量密度充电电池。
图2. 极端条件下的全电池测试
Partially Ion-Paired Solvation Structure Design for Lithium-Sulfur Batteries under Extreme Operating Conditions, Angewandte Chemie International Edition 2023 DOI: 10.1002/anie.202316786
3. ACS Nano：用于无枝晶柔性铝有机电池的MXene基混合导体界面
铝电池因其低成本和高理论容量而成为大规模储能应用有前景的电池技术。然而，阻碍其发展的挑战之一是铝金属负极的电镀/剥离效果不理想。
在此，复旦大学余学斌团队在室温下通过原位化学反应在铝表面构建了一层超薄的MXene膜。制备的柔性MXene膜具有高离子导电性和高机械柔韧性。在铝/铝电池 50 mA cm-2 的超高电流密度下，MXene 赋予铝负极超过 5000 小时的长循环寿命；在 355 Wh kg-1 PTO//Al 电池中，MXene 可在 200 次循环中保持 100% 的寿命。
图1. DFT计算
总之，该工作介绍了一种新兴的原位 MXene 薄膜概念，通过简单的自发反应保护铝金属负极。即使在 50 mA cm-2 的高电流密度下也能防止枝晶的形成，从而使柔性 PTO//Al 全电池的能量密度高达 355 Wh kg-1，使用寿命长达 200 个循环。
优异的电化学性能源于 MXene 薄膜的高离子传导性和出色的机械柔韧性，这确保了铝金属负极的稳定和高效运行。这种在铝金属负极上设计保护层的创新方法为开发安全、高能量的铝金属储能系统提供了一种前景广阔的解决方案。
图2. 电池性能
MXene-Based Mixed Conductor Interphase for Dendrite-Free Flexible Al Organic Battery, ACS Nano 2023 DOI: 10.1021/acsnano.3c07611
4. Advanced Functional Materials：体相晶界调节实现了可充电水系锌离子电池的高可逆性锌负极
锌负极的枝晶和副反应严重限制了水系锌基电池在电网规模储能中的应用。虽然表面/界面改性策略在改善锌负极的可逆性方面取得了一些进展，但仍不足以从晶相角度解决整体调节和内在机制问题。
在此，天津大学胡文彬，韩晓鹏等人介绍了一种基于粉末冶金法的体相复合 Zn/CNTs 负极。得益于晶界工程对局部电导率、电场分布和锌原子吸收能的调控，Zn/CNTs 负极在锌剥离/沉积循环过程中有效抑制了枝晶的生长并增强了耐腐蚀性。配备 Zn/CNT4 负极的对称电池具有更高的循环稳定性，电压滞后极小（仅为 22 mV）。此外，将 Zn/CNT4 与商用 MnO2 结合在一起的全电池在循环 500 小时后显示出卓越的倍率性能和比电容保持率。
图2. 锌沉积抑制枝晶策略的机理分析
总之，该工作提出了一种优化的体相策略，通过对晶界局部微环境的工程化处理来实现锌的高度可逆沉积，这与传统的锌负极表面和界面控制方法截然不同。利用粉末冶金技术，作者成功合成了CNTs均匀分布在锌晶界的Zn/CNTs体相复合负极材料。与商用锌箔相比，体相复合 Zn/CNTs 负极在锌剥离/沉积过程中具有更好的抑制枝晶和耐腐蚀性能。
研究表明，CNTs 在晶界中的富集导致了良好的局部导电性、均匀的电场分布以及晶界上均匀的锌原子吸收能。得益于Zn/CNTs体相复合负极的独特优势，采用Zn/CNT4负极的对称电池具有长期循环寿命，电压滞后低至≈22 mV，而采用Zn/CNT4和商用MnO2配置的全电池在循环500 h后具有最佳的倍率性能和比电容保持率。这种锌负极的体相优化策略以及对晶界工程的基本理解，为设计高度可逆和稳定的锌金属负极开辟了一条可行的途径，也可将其推广到其他金属负极。
图2. 电池性能
Bulk-Phase Grain Boundaries Regulation Enables Highly Reversible Zn Anodes for Rechargeable Aqueous Zn-Ion Batteries, Advanced Functional Materials 2023 DOI: 10.1002/adfm.202312469
5. Angewandte Chemie International Edition：氟化固态电解质界面层引导水系锌电池中锌离子均匀沉积
锌离子水电池因其高能量密度和环保性而越来越受欢迎。然而，锌离子在负极上的随机沉积和锌离子在界面上的缓慢迁移会导致锌枝晶的生长和较差的循环性能。
在此，福州大学汤育欣团队通过原位离子交换策略开发了由 Ca5(PO4)3F/Zn3(PO4)2 组成的氟化固态电解质界面层，以引导锌离子定向沉积和快速锌离子迁移。其中 Ca5(PO4)3F/Zn3(PO4)2的引入可以增加锌离子的成核位点，引导锌离子沿(002)晶面定向沉积，而循环过程中原位形成Zn3(PO4)2可以加速锌离子的迁移。
因此，基于FAP保护的锌负极（FAP-Zn）组装的Zn//V2O5‧H2O电池实现了84%（220 mAh g-1）的高容量保持率， 800 次循环后，3.0 A g-1 下的容量保持率为 23% (97 mAh g-1)。
图1. DFT计算
总之，该工作开发了一种原位离子交换策略，以构建含氟固态电解质界面层，从而在循环过程中引导锌负极上锌离子的快速定向沉积。此外，在循环过程中形成的 Zn3(PO4)2 可以加速 Zn2+ 的迁移。因此，组装后的 FAP-Zn对称电池可在 0.5 mA cm-2/0.5 mAh cm-2 下稳定循环 2200 h，FAP-Cu//Zn 电池的库仑效率高达 99.85%。
同时，在 2.0 A g-1 下循环 250 次后，FAP-Zn/a-MnO2 电池的容量可达 185 mAh g-1，容量保持率为 82%；在 3.0 A g-1 下循环 800 次后，FAPZn/V2O5-H2O 电池的容量可达 220 mAh g-1，容量保持率为 84%。因此，该工作为同时引导锌离子的沉积和加速锌离子在界面上的迁移实现高度可逆的锌金属电极提供了新的见解。
图2. 电池性能
A Fluorinated Solid-state-electrolyte Interface Layer Guiding Fast Zinc-ion Oriented Deposition in Aqueous Zinc-ion Batteries, Angewandte Chemie International Edition 2023 DOI: 10.1002/anie.202316904
6. Journal of the American Chemical Society：基于有机多孔材料纳米限域作用的可充电锂-氯电池
可充电氯化锂电池因其超高的能量密度和卓越的安全性能而被公认为有潜力的储能电池。然而，由于在氧化还原反应过程中 Cl2 供应迟缓且不足，氯化锂电池在高比循环容量下存在循环寿命短和库仑效率（CE）低的问题。
在此，中国科学技术大学陈维团队提出并设计了一种亚胺功能化多孔有机纳米笼（POC）来富集 Cl2 分子。DFT计算表明，宿主笼中的亚胺基团位点能与 Cl2 分子产生强烈的相互作用，从而促进 Cl2 的快速捕获。因此，使用 POC 的氯化锂电池（Li-Cl2@POC）的输出容量显著提高，在 CE ∼ 100% 的条件下实现了 4000 mAh/g 的超高放电容量。
得益于所设计的 POC，Li-Cl2@POC 电池中沉积的氯化锂在第一个循环中的最高利用率高达 85%，优于所有报告值。即使在低温条件下，Li-Cl2@POC电池也能表现出优异的电化学性能，在 -20 °C 条件下，电池容量为 2000 mAh/g，稳定循环 200 次，电压稳定在 3.5 V，平均 CE 为 99.7%。
图1. Li-Cl2@POC电池在高循环比容量下的电化学性能
总之，该工作设计了一种具有丰富结合位点的 CC3-POC 正极材料，用于可充电的锂-氯电池，以限制 Cl2 分子。DFT 计算表明亚胺基团对 Cl2 分子的富集作用，而且 CC3-POC 结构稳定，有利于 Cl2 的富集。得益于所设计的 CC3-POC，锂-氯电池的放电容量显著提高至 4000 mAh/g，CE 保持在 100%以上，远远超过了已报道的应用于锂-氯电池的正极材料。
此外，Li-Cl2@POC 电池在 -20 °C 下的比容量达到了 2000 mAh/g，循环稳定性极佳（大于 200 次）。因此，该种新型功能性多孔正极材料的设计拓宽了用于构建高性能氯化锂电池系统的正极材料系列。
图2. Li-Cl2@POC 软包电池性能
Enrichment of Chlorine in Porous Organic Nanocages for High-Performance Rechargeable Lithium–Chlorine Batteries, Journal of the American Chemical Society 2023 DOI: 10.1021/jacs.3c11726
7. ACS Nano：阳离子溶剂重组和氟化中间相的协同作用实现锌金属负极的高可逆性
锌金属电池因其安全性、成本效益和环境友好性，为大规模应用提供了巨大的机遇。然而，由于与水有关的钝化/腐蚀，锌的可逆性差和不均匀电沉积大大阻碍了其实际应用。
在此，日本筑波大学Eunjoo Yoo 、Huijun Yang等人提出了一种包含γ-丁内酯（GBL）和Zn(BF4)2·xH2O的多功能电解质。研究表明，通过使 GBL 溶剂进入Zn2+溶剂化壳并通过阴离子分解在 Zn 负极表面构建氟化界面，可以最大程度地减少水对 Zn 负极的反应性。
此外，选择核磁共振作为辅助测试方案，以提升和了解电解质成分在构建界面中的作用。材料的协同作用保证了高锌可逆性（平均库仑效率为99.74%）、高面积容量（55 mAh/cm2）和高锌利用率（∼91%）。因此，使用 VO2 正极的锌电池能够平稳运行超过 5000 个周期，每个周期的容量衰减率约为 0.0083%。此外，0.23 Ah VO2/Zn 软包电池能够运行超过 400 个周期，容量保持率为77.3%。
图1. 作用机制
总之，该工作证明了调控阳离子和氟化界面相的协同作用以提高锌电池的性能。该配方保证了锌金属的长期循环(平均CE为99.74%，循环寿命延长到600次)。同时，获得了致密无枝晶的锌沉积，具有高面积容量(55 mAh/cm2)和91%的锌利用率。结合优化的Zn2+溶剂化壳层和富ZnF2层的优势，VO2/Zn电池在循环稳定性方面有显着改善(容量衰减率为每循环约0.0083%，超过5000次循环)。
同时，GF电解液使0.23 Ah的VO2/Zn软包电池表现出400次循环的稳定循环寿命，并获得77.3%的高容量保持率。因此，该项工作提出了一个新型电解质设计方案，强调了调节电解质结构和建立氟化界面对未来锌电池应用的好处。
图2. 电池性能
Synergistic Cation Solvation Reorganization and Fluorinated Interphase for High Reversibility and Utilization of Zinc Metal Anode, ACS Nano 2023 DOI: 10.1021/acsnano.3c08749
8. Energy & Environmental Science：双金属位点与相邻Fe纳米团簇的电子协同作用实现高效氧电催化
具有 M-N4 构型的单原子催化剂在氧电催化方面大有可为，因此受到了广泛的研究。然而，它们在锌-空气电池中的实际应用仍然受到较差的活性和耐久性阻碍。
在此，武汉理工大学麦立强团队通过简单地热解金属酞菁和N掺杂的碳前驱体，开发出了一种含有 Fe 纳米簇的双金属单原子 NiFe-N-C 催化剂。研究表明，Ni-N4 和 Fe-N4 配位结构以及相邻耦合铁纳米团簇的共存和电子协同作用，调节了催化活性位点的电子结构，优化了它们对含氧中间产物的吸附/解吸，加速了反应动力学，降低了氧电催化的能量势垒。
因此，NiFe-N-C 具有竞争性的氧催化/还原反应（OER/ORR）活性和耐久性，∆E 为 0.68 V，E1/2 和 Ej10 在 50 000 和 90 000 电位循环后的衰减可忽略不计。此外，基于 NiFe-N-C 电催化剂的锌-空气电池具有高功率密度、高比放电容量和超长寿命。
图1. 电化学性能
总之，该工作设计并合成了一种具有Ni-N4和Fe-N4位的双金属单原子NiFe-N-C催化剂。研究表明，NiFe-N-C中的Fe纳米团簇和Ni-N4以及Fe-N4活性位点的电子协同作用优化了含氧中间体，降低氧电催化的能垒。因此，它表现出优异的双功能OER/ORR性能与超小∆E=0.68 V。
此外，以NiFe-N-C电催化剂为空气正极的可充锌空气电池在251 mA cm-2的电流密度下表现出153 mW cm-3的高功率密度，在10 mAcm-2的电流密度下具有818 mAh g-1的高比放电容量，以及在10 mAcm-2的电流密度下具有750h的超长循环寿命。因此，该工作为OER/ORR过程中金属纳米簇和单原子位点的协同电子调节提供了新的见解，并激发了高效双功能氧电催化剂的合理设计。
图2. 电池性能
Optimizing Electronic Synergy of Atomically Dispersed Dual-Metal Ni-N4 and Fe-N4 Sites with Adjacent Fe Nanoclusters for High-efficiency Oxygen Electrocatalysis, Energy & Environmental Science 2023 DOI: 10.1039/d3ee03383j
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