电池顶刊集锦：索鎏敏、付永柱、马骋、胡文彬、许杰、周金平、付磊、王子奇、杨军等成果！

1. 天大胡文彬/丁佳/王浩志Nat. Commun.：优化用于高性能钾硫电池的多硫化钾

钾硫电池作为高能量、低成本的储能系统备受关注，但实现硫的高利用率和长期循环仍具有挑战性。

图1. 硫宿主设计的理论指导和筛选

天津大学胡文彬、丁佳、王浩志等采用了协同促进多硫化钾（KPSs）迁移和催化KPSs转化的策略来制备高性能钾硫电池。基于理论筛选和复杂的合成过程，这项工作制备了含有单原子钨（WSA）和碳化钨（W₂C）复合材料的掺氮碳（NC）作为硫宿主。综合实验分析和理论计算显示，WSA物种优化了W₂C物种对固态 KPSs转化的催化能力（更易于K₂S解离），并加速了催化位点附近的KPSs迁移（降低了K₂S/K₂S₂扩散的能量势垒）。

图2. 材料合成及表征

因此，与不含WSA的W₂C@NC/S和不含钨的NC/S相比，WSA-W₂C@NC/S 阴极的绝缘硫化物积累和催化能力不佳现象得到了有效缓解，从而实现了超高的硫利用率、高效率的硫氧化还原以及长周期的稳定性。这种电池的硫利用率为89.8%（1504 mAh g^-1），具有卓越的倍率能力（1675 mA g^-1时为1059 mAh g^-1），并可循环使用200次。经过验证的KPSs迁移加速和转化催化双功能硫宿主策略为开发高性能钾硫电池带来了更多可能性。

图3. 电化学性能及硫氧化还原反应机制

Optimizing potassium polysulfides for high performance potassium-sulfur batteries. Nature Communications 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-45405-w

2. 中科大/温大/兰大Adv. Sci.：高耐湿性氯化物固态电解质

卤化物固态电解质（SSEs）为全固态锂电池（ASSLBs）的商业化带来了希望；然而，目前具有成本效益的锆基氯化物固态电解质存在吸湿不可逆、离子电导率低和热稳定性不足等问题。

图1. 晶体结构和离子导电性表征

中科大马骋、温州大学许杰、兰州大学王凯等制备了一种新型的掺铟氯化锆，以满足上述要求，从而在室温下获得性能优异的 ASSLB。与传统的Li₂ZrCl₆和Li₃InCl₆固态电解质相比，hc-Li_2+xZr_1-xIn_xCl₆（0.3 ≤ x ≤ 1）具有更高的离子电导率（高达1.4 mS cm^-1）和热稳定性（350℃）。同时，hc-Li_2.8Zr_0.2In_0.8Cl₆还表现出明显的吸湿可逆性，在5%的相对湿度下暴露24小时后再进行热处理，其离子导电率的恢复率高达82.5%。

图2. Li-In│LPSCl│hc-Li_2.8Zr_0.2In_0.8Cl₆│scNMC811电池性能

理论计算和实验结果表明，这些优点源于晶格膨胀和Li₃InCl₆·2H₂O水合物的形成，它们能有效降低锂离子的迁移能垒，并提供可逆的水合/脱水途径。最后，采用湿度暴露后重新加热的Li_2.8Zr_0.2In_0.8Cl₆、单晶LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2和锂铟合金组装的ASSLB在25℃、1 C条件下循环500次后显示出71%的容量保持率。这种新型高耐湿性氯化物电解质有望极大地推动ASSLBs的产业化。

图3. 电解质的耐湿性研究

High-Humidity-Tolerant Chloride Solid-State Electrolyte for All-Solid-State Lithium Batteries. Advanced Science 2024. DOI: 10.1002/advs.202305394

3. 武大周金平NML：可持续双交联纤维素水凝胶电解质实现高性能锌金属电池

水系可充锌金属电池（ARZBs）被认为是电网规模能源存储最有前景的候选电池之一。然而，其广泛的商业应用在很大程度上受到三大挑战的困扰：无法控制的锌枝晶、臭名昭著的寄生副反应以及缓慢的Zn²⁺离子转移。

图1. DCZ-凝胶电解质设计

武汉大学周金平等设计了一种含有三氟甲基磺酸锌[Zn(OTf)₂]盐的双交联（DC）纤维素水凝胶电解质（简称DCZ-凝胶），该电解质是采用化学和物理交联顺序策略，从纤维素/碱金属氢氧化物/尿素水溶液中制备而成。独特的直流网络使水凝胶电解质具有出色的机械强度（2.08Mpa，145%）和丰富的多孔网络，离子传输能力达到38.6 mS cm^-1。Zn²⁺离子与纤维素链上的-OH基团之间的相互作用可以调节[Zn(H₂O)₆]²⁺ 的溶剂化结构。

图2. 半电池性能

综合实验结果和理论计算，DCZ-凝胶电解质可有效抑制枝晶的生长和副反应，从而获得稳定的锌阳极。因此，使用DCZ-凝胶电解质的Zn||Zn电池可在10 mA cm^-2的高电流密度下稳定循环400小时以上。

此外，DCZ-凝胶电解质还能使Zn||聚苯胺电池实现高倍率和长期循环性能（在2000 mA g^-1下大于2000次循环）。值得注意的是，该水凝胶电解质易于获得和生物降解，这使得ARZBs在可扩展性和可持续性方面具有吸引力。

图3. Zn||PANI电池性能

A Sustainable Dual Cross-Linked Cellulose Hydrogel Electrolyte for High-Performance Zinc-Metal Batteries. Nano-Micro Letters 2024. DOI: 10.1007/s40820-024-01329-0

4. 武大付磊/曾梦琪Matter：基于超润湿液态金属界面的高耐用固态锂电池

以锂金属阳极为特征的固态电池（SSBs）的出现预示着电气化运输的重大机遇，它具有更高的安全性和显著的能量密度。然而，固态电解质固有的疏锂特性会在固态电解质与锂金属之间的界面上产生不可避免的空位和空洞，从而导致明显的局部电流累积和枝晶的形成。

图1. 自建超润湿界面实现均匀锂沉积的策略

武汉大学付磊、曾梦琪等提出了一种基于液态金属在固态电解质和锂阳极之间构建超润湿界面的策略，从而提供连续、均匀的锂离子传输通道。超润湿界面是通过利用液态金属（镓 [Ga]）在高温下的热运动来实现的，这有利于液态金属与固态电解质形成结合。这一过程有效地占据了固态电解质表面的空隙。

此外，值得注意的是，液态金属具有亲锂特性，在这种情况下会导致固态电解质转变为亲锂状态。镓的熔点较低，仅为29.8℃，而且粘度较低，因此具有与锂金属自发形成合金的能力。这种合金现象有助于锂无缝地分散到固态电解质中。在这方面，固态电解质与锂金属之间的相互作用表现出强大的亲和力，从而达到超润湿状态。这样就建立了无缝的亲密接触，在原子层面上没有空位或空洞。这促进了Li⁺在界面上的扩散，确保了锂的均匀沉积。

图2. 通过超润湿界面实现稳定的锂沉积/剥离

此外，自生成的合金界面层的离子扩散系数较高，在随后的锂沉积/剥离过程中可减轻空隙膨胀。利用液态金属引入的超润湿界面，界面阻抗降低到 29.2 Ω cm^-2，在环境条件下，0.1 mA cm^-2的SSB可实现超过7,200小时的长循环寿命。

即使在1 mA cm^-2的高电流密度下，它仍能在60℃温度下保持640小时的良好长期稳定性。当与磷酸铁锂（LFP）结合使用时，组装的全电池在0.2C下可进行超过280次可逆循环，每圈平均容量衰减率小于0.05%。这显示了这种方法在SSBs中实现高度稳定和理想倍率性能的巨大潜力。

图3. 全电池性能

Ultra-wettable liquid metal interface for highly durable solid-state lithium batteries. Matter 2024. DOI: 10.1016/j.matt.2024.01.010

5. 郑州大学付永柱/唐帅JACS：弱溶剂化溶剂协同作用下的超低温钠金属电池

低离子电导率和高去溶剂化势垒是可充金属电池中有机电解液面临的主要挑战，尤其是在低温条件下。一般的策略是将强溶剂化溶剂和弱溶剂化溶剂结合起来，以获得平衡的物理化学特性。然而，上述两个难题无法同时克服。

图1. 电解液设计策略示意

郑州大学付永柱、唐帅等提出了一种将两种醚基溶剂（弱溶剂化溶剂THF和2-甲基四氢呋喃 (MeTHF)）混合使用的策略，从而获得一种具有极低去溶剂化能的电解也。同时，这两种弱溶剂化溶剂可以降低局部有序结构，从而提高离子导电性。结果，混合溶剂最终会促使生成的电解液在低温下具有比单独溶剂更高的离子电导率。因此，两种弱溶剂化溶剂之间的协同作用打破了单个溶剂折衷的一般策略的限制，可同时实现高离子电导率和低去溶剂化能。

图2. Na||Na对称电池性能

实验显示，采用该电解液的钠金属阳极可在-40℃下以2 mA cm^-2的电流循环1000小时，并显示出极低的过电位。此外，基于Na₃V₂(PO₄)₃阴极的钠金属电池可在-40℃下循环300次，容量保持率达86%，所获得的电化学性能优于之前报道的大多数结果。这项研究为低温碱金属电池电解液的设计提供了一条新途径。

图3. 全电池性能

An Ultrastable Low-Temperature Na Metal Battery Enabled by Synergy between Weakly Solvating Solvents. Journal of the American Chemical Society 2024. DOI: 10.1021/jacs.3c11134

6. 暨南大学王子奇AM：一种可稳定锂金属电池的富氟固态电解质

构建具有理想稳健性和均匀性的最佳SEI是实现高性能锂金属电池的实用途径。

图1. SLE设计

暨南大学王子奇、阿贡国家实验室Tongchao Liu、Khalil Amine等提出了一种富含氟化物的类固态电解质（SLE），它结合了固态电解质和液态电解质的优点。其独特的三氟酯基团增强框架通道有助于形成富含无机物的固体电解质功能相（SEI），这不仅提高了锂阳极的可逆性和界面电荷转移，还确保了锂的均匀、紧凑沉积。

此外，这些三酸酯基团有助于Li⁺的解耦，并为Li⁺的快速传输提供了跳跃位点，从而使其室温离子电导率高达1.1 mS cm^-1，活化能低至0.17eV，可与传统液态电解液相媲美。

图2. SEI分析

因此，使用这种SLE的锂对称电池可在0.5 mA cm^-2的条件下实现超过3500小时的极其稳定的沉积/剥离循环，并支持高达2.0 mA cm^-2的高临界电流。组装的准固态Li||LiFePO₄电池在超过一年半的时间内表现出卓越的循环能力，甚至优于液态电池。此外，这项工作还展示了高电压圆柱形电池和高容量软包电池，证实了与所有固态电池相比，该电池的组装工艺简单得多。这些发现凸显了SLE方法在构建理想SEI方面的潜力，为广泛采用可充锂金属电池提供了实用的解决方案。

图3. 电化学性能研究

A Fluoride-Rich Solid-Like Electrolyte Stabilizing Lithium Metal Batteries. Advanced Materials 2024. DOI: 10.1002/adma.202313135

7. 索鎏敏/毛慧灿JACS：超轻电解液实现超660 Wh/kg锂硫电池

在材料层面，锂和硫的电化学耦合物具有超高的理论能量密度（>2600 Wh/kg）。然而，令人失望的是，由于其在电池层面的可获得能量密度较低（≤500 Wh/kg），且存储性能较差，它在一次电池中并不合适。

图1. MTBE的设计过程

中科院物理所索鎏敏、北京科技大学毛慧灿等定制了一种基于低密度甲基叔丁基醚（MTBE）的超轻电解液（0.837 g/mL，0.4 m LiTFSI + 0.2 m LiNO₃ in DME/MTBE = 1/1 vol %），以同时实现高能量密度和良好的储能性能。研究发现，其保护性封装溶剂化结构可减轻电解液重量（23.1%），提高容量利用率（38.1%），同时防止自放电。

图2. UE中的封装溶剂化结构

此外，这项工作还引入了氟化石墨（CF_x）来构建混合硫基阴极（HC），以进一步提高能量密度。结果，为期31天的静置实验证明了这种系统的卓越存储性能。此外，该工作所演示的300 mAh级软包电池在静置1周后达到了令人难以置信的661 Wh/kg能量密度，自放电率几乎可以忽略不计，这有力地证实了这项工作对锂硫一次电池实用性的重要意义。

图3. 软包电池性能

Ultralight Electrolyte with Protective Encapsulation Solvation Structure Enables Hybrid Sulfur-Based Primary Batteries Exceeding 660 Wh/kg. Journal of the American Chemical Society 2024. DOI: 10.1021/jacs.3c10260

8. 上海交大杨军EnSM：不燃性两亲电解液实现的高压锂金属电池

醚基溶剂通常具有低氧化稳定性和高易燃性，这阻碍了它们在实用高压锂金属电池（LMBs）中的应用。

图1. 电解液设计

上海交通大学杨军等提出了一种新型胶束电解液，其中的3-全氟己基-1,2-环氧丙烷（FEO）含有极性部分的环氧丙烷和非极性部分的长链-CF₂-基团，可作为高压LMB的单一电解液溶剂。

研究发现，FEO中的极性环氧丙烷基团能在一定程度上溶解锂盐，而长链-CF₂-基团则使电解液具有出色的润湿性、阻燃性和良好的抗氧化性。由于其特殊的不对称结构，FEO可以通过增加Li⁺与FSI-阴离子的结合来有效调节溶剂化结构，从而形成富含F的SEI膜，促使锂沉积均匀致密。

图2. 锂金属负极的电化学性能及其相关特性

实验显示，将1.5 M LiFSI/FEO电解液用于上限截止电压为4.5 V的||NCM811全电池时，该电池在200次循环后显示出优异的循环性能，容量保持率为80%，平均CE为99.9%。此外，在这种情况下，NCM811颗粒的晶间应力腐蚀开裂（SCC）和过渡金属的溶解也受到了抑制。上述结果表明，基于FEO的电解液有望用于实用高压LMBs。

图3. Li||NMC811电池性能

High-Voltage Li Metal Batteries Enabled by A Nonflammable Amphiphilic Electrolyte. Energy Storage Materials 2024. DOI: 10.1016/j.ensm.2024.103235