电池顶刊集锦：陆俊、余桂华、侴术雷、庞欢、吴敬一、张凯、徐茂文、魏军、刘兴泉等成果！

1. Nature Sustainability：用于钠离子电池的快充高电压层状阴极

钠离子电池不仅由于与锂相比钠的丰度更高而在电网规模的储能方面引起了极大的关注，而且由于其固有的更高的钠离子迁移率而具有快充的可能性。然而，考虑到钠离子氧化物材料的复杂结构化学，实现这些优点的结合仍然是一项巨大挑战。

图1. O3型层状氧化物的设计

浙江大学陆俊、荷兰代尔夫特理工大学Marnix Wagemaker、赵成龙等打破了既定的观点，通过合理的成分设计，开发了一种用于钠离子电池的O3型Na_5/6Li_2/27Ni_8/27Mn_11/27Ti_6/27O₂层状阴极。

该阴极具有显著延长的循环寿命，在全电池中经过700次循环后80%的容量保持率证明了这一点，同时电压衰减较小，并且能量和功率密度增强。对此负责的是P型特性的结合，特别是O3型结构中0.33 nm的大d（O−Na−O）层间间距。这种设计在充电过程中诱导了主要的P3型固溶体转变，促进了高钠离子扩散率，同时避免了在高电荷状态下的有害过渡金属迁移和相变。

图2. 电化学性能研究

总体而言，这项工作利用层状钠离子氧化物的不同组成空间来调节结构化学，从而为钠离子电池开发了一种新型阴极，该阴极表现出快充以及高平均工作电压和容量保持率。结果表明，P3型主导固溶反应与TMO₂板之间开放的棱柱形Na离子扩散途径是实现快速Na离子传输和优异可逆性的原因。该工作所提出的设计策略有望促进经济和绿色电极材料的发展，以实现高度可持续的高能量密度电池。

图3. O3型钠离子层状阴极相变的分类

Fast-charge high-voltage layered cathodes for sodium-ion batteries. Nature Sustainability 2024. DOI: 10.1038/s41893-024-01266-1

2. AM：高效离子渗透网络助力高性能全固态阴极

全固态锂电池（ASSLBs）面临着正极负载低和倍率性能差的严峻挑战，这影响了其能量/功率密度。广泛接受的高离子电导率和低界面电阻的目标似乎不足以克服这些挑战。

图1. 材料表征

中国海洋大学吴敬一、王焕磊和德克萨斯大学奥斯汀分校余桂华等发现阴极中的高效离子渗流网络对ASSLBs的电化学性能具有更关键的影响。基于此，作者提出了一种磁场诱导方法来控制固态复合阴极中Li_0.35La_0.55TiO₃纳米线（LLTO NWs）的取向，从而在仅含有1 vol% LLTO NWs的高负载阴极中实现高效离子渗流。这种阴极结构设计解决了传统阴极中离子传输高度迂回和过量添加固态电解质的固有问题。

图2. 不同类型阴极中的电荷传输动力学

作为范例，固态磷酸铁锂（LFP）/锂电池在60℃、2 C和5 C条件下的可逆放电容量分别为151 mAh g^-1和100 mAh g^-1。令人印象深刻的是，在2 C的快速充电倍率下，室温比容量达到108 mAh g^-1。即使在LFP负载为20 mg cm^-2的条件下，电池也能达到3 mAh cm^-2的目标面积容量。

此外，该策略在LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂ (NCM)复合阴极中也得到了进一步证实，其倍率能力和容量保持能力都得到了增强。该工作提出的策略通过构建高效的离子渗滤网络同时实现了快速离子传输和高能量密度，并将固态电解质降到最低，是实现高性能ASSLBs的可行解决方案。

图3. LFP和NCM阴极的电化学性能

Efficient Ion Percolating Network for High-Performance All-Solid-State Cathodes. Advanced Materials 2024. DOI: 10.1002/adma.202312927

3. Angew：在MOF中限制聚合物电解质，获得安全高性能全固态钠金属电池

图1. 聚合物-in-MOF SICSPE合成的示意图

中北大学胡胜亮、张锦芳、温州大学侴术雷、昆士兰大学Qingbing Xia等提出了一种聚合物-in-MOF单离子导电固态聚合物电解质（SICSPE）的概念设计，它能显著提高固态钠金属电池的电化学性能。在这种设计巧妙的SICSPE中，作为Na⁺载体和传输介质的聚合物片段被现场限制在ZIF-8颗粒的纳米孔中，并通过路易斯酸碱相互作用来实现。

这种独特的聚合物-in-MOF SICSPE具有以下显著优点：（1）ZIF-8与聚合物片段之间强大的路易斯酸碱相互作用使Na⁺处于弱配位状态，从而有效促进Na⁺解离，增加Na⁺迁移次数，改善Na⁺迁移；（2）ZIF-8颗粒内丰富的纳米孔提供了定向有序的迁移通道，可促进Na⁺的快速迁移；（3）与电极之间良好的界面相容性确保了高度稳定的电化学性能；（4）机械柔韧性有利于抑制Na枝晶的侵蚀生长。

图2. 电解质的电化学特性

因此，聚合物-MOF SICSPE的σ_Na+增强值为4.01×10-4 S cm^-1，t_Na+为0.87，电化学稳定窗口宽达4.89 V（vs. Na/Na⁺）。因此，采用聚合物-in-MOF SICSPE组装的Na₃V₂(PO₄)₃//Na电池具有无枝晶的Na金属表面、良好的倍率能力和出色的循环稳定性，其在苛刻的工作条件下循环300次后可保持96%的容量。这种创新的MOF聚合物设计为推进高性能和安全的固态金属电池技术提供了一种引人注目的策略。

图3. 电化学性能研究

Confining Polymer Electrolyte in MOF for Safe and High-Performance All-Solid-State Sodium Metal Batteries. Angewandte Chemie International Edition 2024. DOI: 10.1002/anie.202318822

4. Angew：多电子氧化还原-双极四硝基卟啉大环阴极用于高性能锌-有机电池

双极有机物融合了n/p型氧化还原反应的优点，可用于制备更好的掺杂锌-有机物电池（ZOBs），但由于活性单元密度低和单电子反应而面临容量不足的问题。

图1. TNP的结构分析

同济大学刘明贤等针对性地设计了双极氧化还原四硝基卟啉（TNP）阴极，该阴极具有四个双电子拉n-型硝基和双电子推p-型胺基序，以激活多电子反应，从而彻底改变ZOBs的电化学指标。具体而言，这项工作阐明了TNP阴极的阴阳离子混合10e电荷存储机制，其中包括Zn²⁺离子在低电位时与四个硝基位点的双足结合，以及SO₄²⁻在高电位时与两个胺位点的配位。这种有利的双极电化学有助于全面提高 Zn||TNP电池的性能，包括高放电容量、平均电压和能量密度。

图2. 电化学性能研究

因此，Zn||TNP电池获得了高容量（338 mAh g^-1）、更高的平均电压（1.08 V）和出色的能量密度（365 Wh kg^-1）。此外，扩展的π-共轭TNP大循环实现了在电解液中的抗溶解性，在10 A g^-1的条件下将电池寿命延长至50,000次循环，容量保持率达71.6%。这项研究拓展了多电子氧化还原双极有机物的化学前景，可用于最先进的ZOBs。

图3. TNP的储能机制

Multielectron Redox-Bipolar Tetranitroporphyrin Macrocycle Cathode for High-Performance Zinc-Organic Batteries. Angewandte Chemie International Edition 2024. DOI: 10.1002/anie.202401049

5. AFM：纳米约束电解液实现可持续钠离子电池

钠离子电池（SIBs）因其低成本、丰富的上游资源以及与锂离子电池兼容的制备工艺而被认为是大规模电化学储能装置的理想候选材料。然而，液态电解液中的高活性游离溶剂分子会在电极和电解液之间引发持续的界面副反应，从而降低SIBs的循环性能。

图1. 普通液态电解液和MOF约束电解液的比较

南开大学张凯等首先利用具有1.1 nm均匀纳米孔道的铜基金属有机框架（Cu-MOF-74）作为SIBs电解液的约束骨架，以提供纳米通道来物理约束溶剂，从而创造开放金属位点（OMS）来与钠盐进行化学配位。通过DFT模拟和固态核磁共振（SSNMR）的结合，作者研究发现约束效应会促使电解液形成高度聚集的溶剂化结构，这有利于抑制电极-电解质界面副反应并提高电解液的热稳定性。

图2. 电解液的溶剂化结构表征

因此，采用MOF约束电解液的Na₃V₂(PO₄)₃(NVP)正极实现了3000次循环的超长寿命和93%的容量保持率。此外，采用纳米约束电解液的电池还能在60℃的高温下工作600多次。这项研究提出了一种制备可持续SIBs的可行方法，也为解决电化学储能系统中电解液和电极之间的副反应提供了指导。

图3. 电化学性能研究

Nano-Confined Electrolyte for Sustainable Sodium-Ion Batteries. Advanced Functional Materials 2024. DOI: 10.1002/adfm.202314288

6. AFM：通过MOF涂层设计定制功能电池隔膜

隔膜是电池的关键部件，肩负着电池安全的重任。除了要求提高隔膜的阻燃性，人们对电池隔膜的附加功能也越来越感兴趣。

图1. 复合隔膜制备过程示意图

浙江大学张漩、西南大学徐茂文等通过金属有机框架的多功能性，为电池隔膜提出了一种多功能涂层集成策略。具体而言，这项工作设计了一种多功能、高安全性的MIP-202@2320复合隔膜，并将其集成到锂硫电池中。

研究显示，Cl-的存在和MIP-202的多孔结构赋予了由此产生的隔膜阻燃特性和高电解液保持率（80%）。此外，Cl-离子在通道内形成的带负电荷的电子云可选择性地阻止多硫化物向阳极迁移，同时促进Li⁺离子的移动。

图2. 隔膜特性研究

因此，受益于上述优势，以MIP-202@2320为隔膜组装的锂硫电池在0.1C下的初始可逆容量高达1327 mAh g^-1，令人印象深刻。此外，在0.5C的放电倍率下循环600次后，电池保留了71.8%的容量，显示出卓越的循环稳定性，并具有出色的倍率性能（在3C时达到532 mA g^-1）。这种多功能集成策略不仅提高了锂硫电池的性能，还为未来不同类型电池隔膜的设计开辟了新方向。

图3. 锂硫电池性能

Tailoring the Function of Battery Separators via the Design of MOF Coatings. Advanced Functional Materials 2024. DOI: 10.1002/adfm.202314246

7. Carbon Energy：液态金属作为全固态电池中锂金属阳极的有效保护层

采用无机固态电解质的锂金属电池因其高能量和安全性，已成为电化学储能设备中极具吸引力的候选产品。然而，锂枝晶的有害生长和差的界面稳定性等固有挑战阻碍了它们的商业应用。

图1. LM-涂层锂金属电极的示意图

哈尔滨工业大学（深圳）魏军、Suzhu Yu、云南大学柳清菊等报告了一种液态金属包覆锂金属（LM@Li）阳极策略，以改善锂金属与Li₆PS₅Cl无机电解质之间的接触。

具体而言，通过在锂金属表面镀上一层超薄的GaInSn，可有效实现锂金属和电解质界面的润湿性和稳定性。除了将界面结合在一起外，GaInSn还起到了隔离层和保护层的作用，将Li₆PS₅Cl电解质与锂金属阳极隔离开来，从而提高了电解液的耐用性，并防止锂枝晶刺穿固态电解液。

图2. 对称电池性能

因此，LM@Li对称电池在2 mA cm^-2条件下可稳定进行1000小时以上的锂沉积/剥离循环，在25℃条件下临界电流密度高达9.8 mA cm^-2。此外，使用高容量复合LiNbO₃@LiNi_0.7Co_0.2Mn_0.1O₂(LNO@NCM721)正极组装的全电池也显示出稳定的循环性能。这些见解为通过界面接触改性开发高能全固态锂金属电池或其他储能器件铺平了道路。

图3. 全电池性能

Liquid metal as an efficient protective layer for lithium metal anodes in all-solid-state batteries. Carbon Energy 2024. DOI: 10.1002/cey2.462

8. EES：通过功函数化学重新分配锌离子通量，实现稳定耐用的锌金属电池

锌金属基电池（ZMBs）因其高性价比和安全特性而被广泛认为是一种前景广阔的储能设备，但不均匀的Zn²⁺沉积会促进枝晶的快速生长。

图1. 四种氮化物的电化学和理论性质

扬州大学庞欢、电子科技大学刘兴泉、香港理工大学赵景新等介绍了一种新颖的功函数化学策略，通过在商用玻璃纤维（GF）隔膜上包裹一系列氮化物（WN_0.67、VN、Mo₂N和NbN）来改善Zn²⁺通量和传输动力学。

密度泛函理论和实验评估显示，功函数较低的氮化物在重筑Zn²⁺通量和自发排斥有害SO₄^2-方面表现出更强的能力。此外，NbN@GF隔膜还能抑制副反应，促进(002)晶面的优先取向，从而实现锌金属在水平方向的无枝晶生长，并实现约3,000小时的可逆锌循环。

图2. 锌沉积形貌

结果，具有NbN@GF隔膜的Zn对称电池在0.5 mA cm⁻²/0.5 mAh cm⁻²和低过电位（<35 mV）下实现了令人印象深刻的3000小时超长循环寿命。同时，改性的Zn//Mn₃O₄@C电池在2 A g⁻¹下经过4000次循环后可提供85.3%的容量保持率，同时即使在0.2 A g⁻²的较低电流密度下400次循环后仍保持261 mAh g⁻¹的比容量。多功能氮化物改性隔膜的合理设计和提出的功函数化学策略为构建耐用ZMB提供了宝贵的指导。

图3. 全电池性能

Redistributing Zinc-ion Flux by Work Function Chemistry toward Stabilized and Durable Zn Metal Batteries. Energy & Environmental Science 2024. DOI: 10.1039/d3ee04304e