1. 周江/史曉東/魯兵安AEM：凹面碳球的可控設計及儲鉀/鈉性能探究！

凹面碳球（CCS）由于其獨特的物理化學特性而引起了人們的極大興趣。然而，精確的合成方法仍然很少，因為控制中間前體的動態和非選擇性的變形過程是一個巨大的挑戰。

中南大學周江、史曉東、湖南大學魯兵安等實現了對凹面結構的精確形態調控，以準確解釋碳材料的微觀結構和電化學性能之間的關系。

圖1 CCS樣品的制備及形貌

在有限元模擬的基礎上，作者提出了聚合彎曲理論，分析了CCS材料的形態演變機制。特別是選擇了C30樣品（具有較大的層間間距和較低的石墨化程度）作為研究對象，并對其儲鉀和儲鈉性能進行了進一步研究。有限元模擬結果表明，CCS材料的應力積累是各向異性的，有利于形成均勻的應力分布，從而緩解了應力集中效應，進而避免了循環過程中的結構變形甚至結構失效。

圖2 應力分布的化學力學模擬結果

受益于結構上的優勢，C30負極在4A g^-1的條件下循環1350次后，儲鉀容量仍保持在104.9 mAh g^-1，對應于每循環2.7%的極低容量衰減率。對于鈉離子電池，在2 A g^-1的條件下，經過2700次循環后可以實現116.4 mAh g^-1的可逆容量。這項工作可能為凹陷中空碳材料的設計開辟了一條新的途徑，并促進其在儲能領域的實際應用。

圖3 鉀/鈉儲存性能

Concave Engineering of Hollow Carbon Spheres toward Advanced Anode Material for Sodium/Potassium-Ion Batteries. Advanced Energy Materials 2022. DOI: 10.1002/aenm.202202851

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2. 何傳新/余彥AFM：多孔骨架協同硒化界面實現穩定鈉/鉀負極！

鈉金屬已被認為是實現下一代電池系統高能量密度和低成本最有希望的負極。然而，不受控制的枝晶生長、無限的體積膨脹和不穩定的固體/電解質界面相嚴重阻礙了鈉金屬負極的實際應用。

深圳大學何傳新、中科大余彥等通過將熔融的Na注入由硒化銅納米片修飾的多孔銅框架中，獲得了功能性復合Na負極（Na₂Se/Cu@Na）。

圖1 Na₂Se/Cu@Na復合負極的合成過程示意圖

Na₂Se/Cu@Na具有以下優勢：i）Cu₂Se納米片可以賦予Cu骨架親鈉性（親鉀性），并通過虹吸效應促進Na（K）的滲透；ii）包括Na₂Se/Cu（K₂Se/Cu）納米片的反應產物可以促進Na（K）離子遷移，并通過離子/電子傳導框架誘導Na（K）成核；iii）與傳統的金屬氧化物和金屬硫化物相比，硒金屬表現出更高的電導率，由于電極反應動力學更快，有利于重新分配離子濃度。

圖2 半電池性能

因此，獲得的復合Na負極（Na2Se/Cu@Na）在電流密度為1 mA cm^-2、固定容量為1 mAh cm^-2時在碳酸酯電解液中表現出超過500小時的穩定剝離/沉積循環壽命。當這種復合負極與Na₃V₂(PO₄)₃(NVP)正極耦合時，Na₂Se/Cu@Na‖NVP的全電池在10 C(1 C=100 mA g^-1)下循環800次后仍能保持97 mAh g^-1的高容量。此外，超薄的復合Na負極和相應的軟包電池可以實現實際應用。至于復合K負極（K₂Se/Cu@K），在電流密度為0.5 mA cm^-2、固定容量為0.5 mAh cm^-2時，對稱電池的循環壽命可以保持在1000小時以上。這項研究為設計結構化的Na（K）金屬負極鋪平了一條重要的道路，以協同改善電極的穩定性。

圖3 全電池性能

Homogeneous Metallic Deposition Regulated by Porous Framework and Selenization Interphase Toward Stable Sodium/Potassium Anodes. Advanced Functional Materials 2022. DOI: 10.1002/adfm.202210166

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3. 宋英澤/張煒/蔡文龍Adv. Sci.：405.1 Wh/kg高比能軟包鋰硫電池！

鋰硫(Li-S)電池能否真正應用，與揭開多硫化鋰(LiPSs)的演化反應直接相關。按照這一思路，設計具有同步緩解LiPSs穿梭和促進硫轉化功能的促進劑至關重要。

西南科技大學宋英澤、中科院重慶綠色智能技術研究院張煒、四川大學蔡文龍等提出了一個一體化的”氮平衡”策略，即通過調節局部氮演化行為來構建一個高活性的Ni-N-C系統，以實現高能Li-S軟包電池。

圖1 用于最大化Ni-N-C體系電催化活性的一體化“氮平衡”示意

局部氮平衡導致了鎳配位構型、鎳原子負載、氮空位缺陷、活性氮和電子傳導性的同時優化，從而形成了明顯不同于傳統鎳單原子催化劑（SAC）的活性Ni-N-C系統。受益于最大化的電催化活性，Ni-N-C系統在放電和充電過程中分別有效地引發了Li₂S的成核和分解反應。

圖2 用于硫轉化反應的Ni-N-C電催化劑的電催化活性分析

因此，即使在高硫負載和90°折角的條件下，Li-S軟包電池也能獲得良好的放電容量和循環穩定性。令人印象深刻的是，一個0.5Ah級的Li-S軟包電池也成功實現了405.1 Wh kg^-1的顯著能量密度。總體而言，這項工作為實用的鋰硫電池提供了一種有效的電催化劑活性提升策略，從而緩解了電池的實際能量與未來電力需求之間的差距。

圖3 軟包Li-S電池性能

Nitrogen Balance on Ni–N–C Promotor for High-Energy Lithium-Sulfur Pouch Cells. Advanced Science 2022. DOI: 10.1002/advs.202204027

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4. 徐群杰/閔宇霖AFM：新型復合固態電解質助力全固態鋰電2000次循環！

采用聚合物固態電解質復合填料的傳統策略受到有機-無機界面連續性的極大限制。

上海電力大學徐群杰、閔宇霖等報告了一種具有多個有機-無機界面的新型復合固態電解質設計。

圖1 PEO/LiTFSI/3DMoO3電解質的形貌表征

具體而言，該復合膜是由聚氧化乙烯（PEO）基電解質膜和三氧化二鉬（MoO₃）無機膜交替疊加得到的，然后將多層膜卷成圓柱體，進一步通過將圓柱體切成盤狀，得到具有多個連續有機-無機界面的復合電解質。研究顯示，在整個聚合物復合電解質（PCE）中，形成了垂直于電極方向的介觀尺度的多個界面。與通過簡單混合方法制備的PEO/LiTFSI/MoO₃(PLM)相比，定向界面的存在大大增加了電解質的離子導電性、離子遷移率和高壓電阻。在取向的有機-無機界面上，Li⁺濃度增強，PEO的結晶度降低，導致了更高的離子電導率，以及復合電解質中的短離子傳導路徑。

圖2 復合固態電解質的電化學性能

結果，新型PCE（PL3DM）的離子傳導率在60℃時高達1.16×10^-3 S cm^-1。這種優秀的離子傳輸能力使采用該電解質組裝的”界面電池”獲得了令人滿意的循環性能。Li|PL3DM|LiFePO₄在2 C下穩定地循環了>2000次。此外，全固態鋰電可以快速充放電，并在10 C的高倍率下運行。PL3DM的優異性能證明了利用不同的相界面人工形成定向和連續的離子通道以提高固態電解質的離子傳導能力的可行性。

圖2 全電池的循環性能

Directed and Continuous Interfacial Channels for Optimized Ion Transport in Solid-State Electrolytes. Advanced Functional Materials 2022. DOI: 10.1002/adfm.202206976

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5. 陳人杰/吳孔林等AFM：二元金屬協同催化實現高倍率/面容量鋰硫電池！

具有高理論能量密度的鋰硫（Li-S）電池長期以來被認為是鋰離子電池的替代儲能裝置。然而，多硫化物的穿梭效應會引發快速的容量衰減和短暫的電池壽命，這嚴重阻礙了其實際利用。

北京理工大學陳人杰、復旦大學Jie Xu、安徽工業大學吳孔林等構建了一種高效的電催化劑，包括植入分級多孔碳骨架（Fe/Co-N-HPC）中的氮（N）配位二元金屬單原子（SAs），并通過隔膜涂層策略捕獲并催化多硫化物轉化。

圖1 Fe/Co-N-HPC的合成、形態和組成

研究表明，Co原子的引入可以豐富Fe活性中心的電子數，從而實現二元金屬單原子催化劑的顯著協同催化作用，提高Li-S氧化還原反應的雙向催化作用。受益于二元金屬SAs在促進多硫化物轉化過程中的高導電網絡和協同催化活性，采用Fe/Co-N-HPC改性隔膜的Li-S電池在低硫和高硫負下的電化學性能都得到了極大的提高。

圖2 采用不同隔膜的Li-S電池的性能

結果，所制備的Li-S電池表現出出色的倍率能力（5.0 C時為740 mAh g^-1），以及卓越的長期循環穩定性（1.0 C時循環600次后為694 mAh g^-1）。將硫負載增加到4.8 mg cm^-2時，實現了6.13 mAh cm^-2的顯著面容量。此外，原位X射線衍射和理論模擬結果驗證了二元金屬SAs通過改變速率決定步驟的催化機制，這為構建高性能Li-S電池提供了新方向。

圖3 高負載Li-S電池性能

Binary Metal Single Atom Electrocatalysts with Synergistic Catalytic Activity toward High-Rate and High Areal-Capacity Lithium–Sulfur Batteries. Advanced Functional Materials 2022. DOI: 10.1002/adfm.202208666

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6. 青島大學郭向欣AFM：熔鹽轉換獲得親鋰和空氣穩定的石榴石固態電解質

石榴石型電解質由于其高離子傳導性和寬廣的電化學窗口，在固態鋰電池的應用中顯示出巨大的潛力。然而，由于空氣暴露而形成的表面Li₂CO₃引發了與鋰金屬的不均勻接觸，導致了不良的枝晶生長和性能惡化。

青島大學郭向欣等通過表面Li₂CO₃和熔融NH₄H₂PO₄鹽之間的無副作用轉換反應，在石榴石型Li_6.4La₃Zr_1.4Ta_0.6O₁₂（LLZTO）表面原地生成親鋰Li₃PO₄(LPO)層。

圖1 熔鹽處理的親鋰和空氣穩定的石榴石表面的設計

這樣形成的LPO表面層通過阻擋空氣中H₂O/CO₂的侵蝕，阻止了LLZTO表面的碳酸鹽污染物再生超過20天。密度函數理論（DFT）計算進一步顯示，LPO /Li的粘附功（Wad）比Li₂CO₃/Li高得多，這表明界面結合和穩定性大大改善。此外，LPO層可以通過與熔融的鋰金屬反應，部分轉化為離子導電但電子絕緣的Li₃P和Li₂O的界面層。與Li₂CO₃的疏水性不同，這種類似于磷酸鋰氧化物（LiPON）的固體電解質界面相（SEI）增強了界面兼容性，導致Li/LLZTO的無縫接觸，從而使界面電阻大幅下降至13 Ω cm²。

圖2 界面研究

此外，這種離子增強和電子絕緣的SEI使Li⁺通量平穩，促進了Li在Li/LLZTO界面上的均勻沉積/剝離，從而提高了鋰對稱電池在高臨界電流密度下的循環穩定性（30℃時為1.2 mA cm^-2）。另外，基于改性LLZTO電解質的固態鈷酸鋰電池表現出顯著的電化學性能，在0.1C時放電容量為130 mAh g^-1，在30℃時穩定循環超過150次，容量保持率超過81%。因此，所提出的熔鹽處理方法對于實現空氣穩定和界面兼容的石榴石電解質是有希望的。

圖3 LCO/Li全電池的性能

Molten Salt Driven Conversion Reaction Enabling Lithiophilic and Air-Stable Garnet Surface for Solid-State Lithium Batteries. Advanced Functional Materials 2022. DOI: 10.1002/adfm.202208751

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7. 鄭奇峰等AFM：一石三鳥添加劑助力鋅金屬負極4000小時穩定循環！

水系鋅金屬電池由于其高容量、高安全性和低成本而成為最有前景的大規模儲能系統。然而，鋅金屬負極在水系電解液中存在著連續的寄生反應、隨機枝晶生長和遲緩的動力學。

華南師范大學鄭奇峰、陳鷺義等引入高供體數溶劑四甲基脲（TMU）作為電解液添加劑，以實現高度可逆的鋅金屬負極。

圖1 不同電解液中的鋅沉積行為示意圖

綜合實驗和理論結果表明，TMU不僅能優先吸附在Zn表面，抑制Zn腐蝕和寄生反應，還能與Zn²⁺溶劑化，將H₂O排除在Zn²⁺溶劑化鞘之外，從而大大削弱了水的活性。更重要的是，這種獨特的Zn²⁺溶劑化鞘促進了無機-有機雙層SEI的形成，其內部是富含ZnF₂/硫化物的層（高界面能），外部是富含酰胺的層（強親鋅性），使Zn沉積均勻，有效提高Zn²⁺運輸動力學。

圖2 鋅沉積/剝離的穩定性

基于TMU添加劑的上述優點，所得到的Zn(OTF)₂+TMU水系電解液不僅使Zn||Ti不對稱電池（持續超過1200次（CE>99. 5%））和Zn||Zn對稱電池（超過4000小時）實現了高度可逆的鋅沉積/剝離，而且還能使各種最先進的正極穩定運行，包括五氧化二釩（V₂O₅）、聚苯胺（PANI）和六氰化鐵（Na₂MnFe(CN)₆）。總體而言，這項工作從根本上了解了高供體添加劑在穩定鋅金屬負極方面的作用，為開發新興的鋅金屬水系電池開辟了一條新的途徑。

圖3 Zn||V₂O₅全電池性能

Three Birds with One Stone: Tetramethylurea as Electrolyte Additive for Highly Reversible Zn-Metal Anode. Advanced Functional Materials 2022. DOI: 10.1002/adfm.202209642

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8. 王旭珍ACS Nano：基于雙功能宿主的高性能鋰硫全電池！

多硫化鋰（LiPSs）在硫正極的穿梭和緩慢的化學反應以及金屬負極中枝晶鋰的形成，嚴重阻礙了鋰硫電池的普及。

大連理工大學王旭珍等報告了一種親硫和親鋰CoSe納米粒子修飾的B,N共摻雜碳納米管（BNCNTs）陣列（CoSe@BNCNTs/CC），它生長在碳布上，可同時作為硫和鋰的宿主。

圖1 材料制備及表征

密度泛函理論（DFT）計算、模擬和電化學性能測試表明，CoSe@BNCNTs/CC可以同時發揮催化作用，加速LiPSs的轉化，并實現平滑、均勻的鋰沉積，以調節S和Li的電化學。此外，BNCNTs陣列的獨特結構為硫提供了足夠的存儲空間，并使鋰離子的分布和電極的電場均勻化。

圖2 CoSe@BNCNTs/CC-Li負極的性能

因此，基于CoSe@BNCNTs/CC雙功能宿主的Li-S全電池表現出長期的循環穩定性（在0.5C的800次循環中每循環的衰減率為0.066%）和高的倍率容量（在2C下為684 mAh g^-1）。即使在7.9 mg cm^-2的高硫負載下，Li-S全電池在0.2 C時也有9.76 mAh cm^-2的高面容量。總體而言，該研究提出了一個可行的策略，以解決實用Li-S全電池的S和Li電極的挑戰。

圖3 Li-S全電池性能

CoSe Nanoparticle Embedded B,N-Codoped Carbon Nanotube Array as a Dual-Functional Host for a High-Performance Li-S Full Battery. ACS Nano 2022. DOI: 10.1021/acsnano.2c07137