1. 楊槐/張蘭英/胡威AEM：無隔膜原位雙固化固態聚合物電解質實現超穩定鋰金屬電池

對于全固態鋰離子電池而言，固態聚合物電解質（SPE）應具有高離子傳導性，并與所有電池組件保持界面接觸。然而，由于使用了惰性和非離子傳導性隔膜，常用的原位隔膜輔助方法降低了離子傳導性。

圖1 DC-SPE的合成示意

北京大學楊槐、張蘭英、北京科技大學胡威等報告了一種簡便的無隔膜雙重固化策略，該策略結合了電池外部的紫外固化和電池內部的熱固化，其中第二次熱聚合過程在不犧牲離子導電性的情況下改善了界面特性。具體而言，富醚丙烯酸酯單體的預紫外固化可在形成自立膜的同時提供基本的離子導電性，而隨后電池內乙烯基碳酸乙烯酯（VEC）的原位熱固化則可在電池裝配應力的作用下，通過 VEC 對電極的潤濕效應改善界面性能。

圖2 DC-SPE的電化學性能

因此，由此產生的 DC-SPE 具有高離子電導率（25℃時為0.3 mS cm^-1）、寬電化學穩定性窗口（4.64 V vs Li/Li⁺）和更好的界面特性。原位形成的 DC-SPE 能有效抑制鋰枝晶的生長，并在高電流密度下實現穩定的對稱鋰電池循環性能（在 0.2 mA cm^-2 和 0.2 mAh cm^-2 條件下超過 700 小時）。此外，含有 LiFePO₄ 的全固態鋰金屬電池（LMB）在 40℃、1C 倍率下表現出高庫侖效率（>99.93%）和超穩定循環穩定性（900 次循環）。雙固化策略提供了一種全新的原位處理方法，避免了使用昂貴的惰性隔膜，可廣泛應用于全固態鋰金屬電池的開發。

圖3 全固態電池性能

Separator-Free In Situ Dual-Curing Solid Polymer Electrolytes with Enhanced Interfacial Contact for Achieving Ultrastable Lithium-Metal Batteries. Advanced Energy Materials 2023. DOI: 10.1002/aenm.202301470

2. 劉軍/劉奇Materials Today：調節P2-型層狀氧化物正極的電子分布，實現鈉離子電池的實用化

對于過渡金屬氧化物材料而言，高Ni含量是獲得高比容量的有效方法。然而，理論容量是由過渡金屬離子的一定量可變電荷決定的。比電壓窗口中容量的增加可能歸因于堿離子更容易傳輸，而不是更多的活性元素。

圖1 所獲樣品的結構和價態

華南理工大學劉軍、香港城市大學劉奇等借用鋰離子電池中富鎳材料的理論，在P2-型層狀氧化物材料中加入過量的鎳元素，形成Jahn-Teller活性Ni³⁺離子。研究顯示，約25%-61%的Ni³⁺離子可有效促進Na⁺離子的脫嵌，這是因為Na⁺的擴散能壘降低，吸附能增加。因此，優選的”富鎳”材料Na_0.67Mn_0.45Ni_0.22Co_0.33O₂（Ni-R1）在2.0-4.25 V的電壓范圍內顯示出114 mA h g^-1的可逆比容量。當電流密度增加到1 A g^-1時，比容量仍為100 mAh g^-1，1000次循環后的容量保持率為 80%。

圖2 電化學性能

深入的研究證明，在合成階段，Jahn-Teller活性Ni³⁺離子能有效調節周圍離子的價電子分布。然而，當Ni³⁺含量增加到74%時，它將促進Jahn-Teller畸變，從而使電池倍率性能急劇下降。總體而言，該研究提供了一種簡單而有效的方法，可在合適的電壓范圍內增加容量，以滿足應用需要。

圖3 提高容量的機制

Regulating electron distribution of P2-type layered oxide cathodes for practical sodium-ion batteries. Materials Today 2023. DOI: 10.1016/j.mattod.2023.06.021

3. 曾林/趙天壽Nature子刊：三維分層石墨烯基質助力穩定的鋅負極

水系鋅離子電池的金屬鋅負極存在嚴重的枝晶和副反應問題，這會導致循環穩定性差，尤其是在高倍率和高容量情況下。

圖1 材料制備及表征

南方科技大學曾林、趙天壽院士等提出了一種利用自支撐、輕質、親鋅的三維分層石墨烯基質（包括摻雜 N 的石墨烯納米纖維簇、垂直石墨烯陣列和多通道碳基質）來構建具有優異倍率和容量的高性能、穩定鋅復合負極的新方法。具體而言，通過一步熱 CVD 工藝合成的 3D-RFGC 矩陣具有高表面積、多孔性和均勻的多孔結構，可有效降低局部電流密度，減少Zn²⁺離子濃度梯度，并確保均勻的電場分布以調節Zn沉積。因此，具有豐富親鋅位點的垂直石墨烯陣列（VGs）和石墨烯納米纖維簇（GFs）的表面修飾促進了具有高電流密度和表面積容量的高性能鋅金屬負極的實現。

圖2 不同電極在半電池中的電化學性能

電化學測試顯示，工程化的3D-RFGC@Zn負極在120 mA cm^-2的高電流密度下，經過3000次循環后，CE值達到99.67%，過電位更低，令人印象深刻。采用3D-RFGC@Zn負極的對稱電池在7200次循環過程中表現出卓越的穩定性，具有平坦沉積和快速動力學的特點。尤其值得注意的是，3D-RFGC@Zn負極在電流密度為80 mA cm^-2時表現出色，可在2400小時內以80 mAh cm^-2的超高容量穩定運行。此外，當將這些三維石墨烯基質加入V₂O₅@3D-LC/3D-RFGC@Zn、MnO₂@3D-LC/3D-RFGC@Zn和AC@3D-LC/3D-RFGC@Zn電容器等全電池中時，由于它們能夠促進鋅的均勻沉積，因此有助于實現優異的倍率性能和顯著改善的循環穩定性。這種采用三維石墨烯基質作為鋅負極的策略為開發能夠在高倍率、高容量和高放電深度條件下工作的金屬負極提供了一條前景廣闊的途徑。

圖3 用于全電池和電容器的3D-RFGC@Zn負極的電化學性能

3D hierarchical graphene matrices enable stable Zn anodes for aqueous Zn batteries. Nature Communications 2023. DOI: 10.1038/s41467-023-39947-8

4. 延衛/王嘉楠AFM：集成等離子體策略調節界面化學，實現固態鋰電中平面鋰生長

固態鋰金屬電池（SSLMB）被認為是下一代儲能設備中極具潛力的候選產品，但它們仍然面臨著因界面不兼容而導致的鋰枝晶生長不可控的問題。

圖1 集成等離子體（IP）策略和工作機制示意圖

西安交通大學延衛、王嘉楠等提出了一種”集成等離子體（IP）”的夾層構建策略，該策略集成了金屬還原和氣相沉積功能，其特點是能夠提供可調控和可量化的化學調節，以控制固態電解質（SSE）上的表面濃度（Csurface）以及引入的金屬元素和電負性元素（ARE/M）的原子比。聚焦離子束（FIB）、透射電子顯微鏡（TEM）和飛行時間二次離子質譜（ToF-SIMS）證實，IP-LAGP與鋰負極之間的原位反應同步產生了銀鋰合金、鋰氟和無定形碳，從而使IP-LAGP |鋰界面實現了親密接觸。通過調節F和Ag的原子比為≈2.6，使用IP-LAGP的對稱電池具有較小的阻抗（512Ω）和較低的成核過電位（66 mV）。

圖2 低溫 TEM（Cryo-TEM）形態分析

低溫TEM（Cryo-TEM）、多物理場仿真和X射線計算機斷層掃描（CT）結果表明，IP-LAGP使鋰的沉積形態呈平面狀，從而降低了局部電流密度，阻止了鋰枝晶在LAGP中的傳播。因此，使用IP-LAGP、鋰負極和NCM811正極組裝的 SSLMB電池在0.2 C下顯示出173.5 mAh g^-1的初始容量以及1000 次循環后穩定的庫侖效率（>99%）。考慮到等離子體技術的多功能性，包括金屬還原、氣相沉積、結晶度調節和晶格生長，該IP策略可為各種先進存儲系統提供另一條開發高化學機械穩定性固態電解質的途徑。

圖3 原始 LAGP、Ag-LAGP 和 IP-LAGP SSE在不同電池系統中的電化學性能

Integration Plasma Strategy Controlled Interfacial Chemistry Regulation Enabling Planar Lithium Growth in Solid-State Lithium Metal Batteries. Advanced Functional Materials 2023. DOI: 10.1002/adfm.202304929

5. 三單位AFM：鎂離子摻雜和微結構工程助力釩酸銨正極5000次循環！

層狀釩酸銨材料由于分子量小、離子半徑大，因此具有顯著的重量比容量和離子傳輸速率。然而，Zn²⁺和V-O鍵的強靜電相互作用以及N-H…O鍵的脆弱離子鍵阻礙了它們的發展。

圖1 材料制備及表征

廣東工業大學李成超、山東高等技術研究院郭瑞強、江蘇大學劉云建等報告了摻入Mg²⁺的NH₄V₄O₁₀材料，其伴有花狀形貌，可降低遷移能壘并抑制胺的溶解。研究顯示，由于三維花狀形貌以及Mg²⁺和結構水的共同作用，Zn²⁺…V-O的結合顯著增強，并構建了額外的離子通道。此外，預鈍化的Mg²⁺增強了結構的完整性，防止了不可逆脫氨，從而獲得了極佳的循環穩定性。密度泛函理論（DFT）計算證實，MNVO提供了更平滑的Zn²⁺擴散路徑，遷移障礙更低。

圖2 電化學性能研究

得益于這些優勢，MNVO正極在0.1 A g^-1條件下顯示出410 mAh g^-1的高比容量、令人滿意的循環穩定性（在10 A g^-1條件下經過5000次循環后，容量保持率為 90.2%）以及0.4-1.5 V內的倍率能力（25 A g^-1條件下為118 mAh g^-1）。此外，作者還通過多重分析研究了MNVO正極的鋅離子存儲機制。總體而言，這項工作為獲得水系可充鋅離子電池和其他金屬離子電池的高性能正極提供了一個很有前景的方向。

圖3 動力學研究

Magnesium Ion Doping and Micro-Structural Engineering Assist NH4V4O10 as a High-Performance Aqueous Zinc Ion Battery Cathode. Advanced Functional Materials 2023. DOI: 10.1002/adfm.202306205

6. 姚彥AEM：僅需3%鎂摻雜，大幅度提高鋰負極-固態電解質界面穩定性

固態鋰金屬電池具有高比能量和安全潛能，已成為電動汽車的一項前景廣闊的技術。然而，在電池制造過程中實現鋰與電解質的親密接觸仍是一項挑戰。為了促進密切接觸，需要足夠的制造壓力，但這種壓力會導致鋰變形并滲入電解質，從而導致電池性能不佳。

圖1 對稱電池阻抗和形態隨制造壓力的變化

休斯頓大學姚彥等提出了一種方法，通過加入3%的鎂來改變鋰的應變硬化行為，從而在電池制造過程中實現金屬負極與固態電解質的親密接觸。這種Li─Mg負極能夠承受很高的制造壓力（50-65 兆帕）而不會滲透電解質。相比之下，純鋰負極很難保持接觸而無電解質滲透的風險。純鋰遵循Voce硬化定律，允許無約束變形，而Li─Mg則不同，它遵循Swift硬化定律，在壓縮應力下隨應變而增強。

圖2 Li和Li─Mg在壓縮應力下的變形

此外，有限元分析表明，與純鋰不同，Li─Mg不會穿透固態電解質表面的缺陷。采用Li─Mg電極的對稱電池的臨界電流比鋰金屬電極高出 200%。因此，這種方法可以實現固態電池的大電流循環。這種方法在需要高壓以確保鋰與電解質親密接觸與保護電解質之間取得了平衡。這項工作的研究強調了金屬電極的機械性能在固態電池加工中的重要性。

圖3 臨界電流密度測試

Taming Metal–Solid Electrolyte Interface Instability via Metal Strain Hardening. Advanced Energy Materials 2023. DOI: 10.1002/aenm.202300679

7. AEM：促進鋰金屬均勻生長的機械種子機制

電化學沉積過程中的鋰枝晶生長是限制鋰金屬負極商業化的一個主要問題。最近，有人根據低溫透射電子顯微鏡（cryo-TEM）結合經典分子動力學（MD）模擬提出了一個有趣的現象，表明鋰在生長過程中存在無序相變（DOPT）。這項研究潛在地提出了一個重要概念，即無序相可能是控制（非）均勻鋰枝晶生長的關鍵參數，并促使人們利用統一多尺度原子計算系統地了解鋰、鎳和鉀等堿金屬的生長機制。

圖1 “機械種子”概念促進同源鋰生長

慶熙大學Duho Kim、漢陽大學Joonmyung Choi等受DOPT動力學的啟發，基于從原子（DFT）到宏觀（MD）尺度的多尺度模擬，揭示了在電化學沉積/剝離過程中實現鋰金屬均勻生長的機械種子（MS）概念，以促進安全的鋰金屬電池。基于大量熱力學無序能數據集，在DFT輔助多尺度模擬的基礎上，將雙體相互作用解耦為三種類型：i) 類晶體；ii) 長；iii) 短鋰─鋰鍵。這些雙體相互作用的貢獻為控制電化學沉積過程中的無序-有序相變提供了力學因素。

圖2 闡明MS效應的宏觀和動態機制

在DFT結果的基礎上，作者構建了無序的核殼和橫截面MD模型，并依次進行了觀察，以加強從壓縮誘導調制中得出的有趣概念。與壓縮應變（??）= 0.00和0.10的球形模型相比，在適度壓縮條件下，宏觀上無序的內核平滑地轉變為有序相，沒有形成孔隙，而且動力學可能顯示出一種取決于機械條件的DOPT動力學。在一維模型中，電化學沉積在?? = 0.05時沉積鋰金屬表面溫和，而在其他情況下則出現粗糙。不同高度的表面積測量和晶界附近的原子位移證明了鋰金屬負極的生長依賴性。作者對統一原子計算的具體研究為定制（非）均勻鋰生長提供了一個有趣的方向。此外，MS機制有望成為探索安全穩定的鋰金屬電池的通用策略。

圖3 MS條件下鋰金屬生長行為的研究

Mechanical Seed Mechanism to Facilitate Homogeneous Li Metal Growth. Advanced Energy Materials 2023. DOI: 10.1002/aenm.202300816

8. Adv. Sci.：高室溫導電性聚合物電解質，可達7.12×10^-4 S cm^-1

聚環氧乙烷(PEO)基固態聚合物電解質具有多個氧原子，可以與鋰離子配位，從而有效促進基質內的離子傳導途徑。然而，PEO在室溫下具有較高的結晶度，會干擾聚合物鏈段運動和鋰離子運動。因此，緩慢的鋰離子動力學最終導致基于PEO的聚合物電解質在鋰金屬電池工作溫度下的導電性較差（室溫下≈10^-8 至 10^-5 S cm^-1），從而影響了電池的整體性能。

圖1聚合物的制備

卡內基梅隆大學Jay F. Whitacre、Krzysztof Matyjaszewski等提供了一種實用而簡單的設計策略，通過調整單體結構在聚合物骨架上引入離子導電基團，從而顯著提高室溫下的離子導電性。具體而言，這項工作研究了兩種氧降冰片烯基聚合物（P1和P2），并分析了它們的穩定性/電化學性能。P2（二官能化PEO，聚環氧乙烷側鏈）具有酯連接，可確保結合最大數量的PEO垂體單元，而 P1（單官能化PEO側鏈）通過醚連接由阻礙較少的環氧乙烷重復單元組成，可提高材料在負氧化還原電位下的電化學穩定性。這種用于固相鋰離子電解質的獨特瓶底式聚合物設計極大地促進了鋰離子在固態中的傳輸，從而使電池具有與傳統液態電解質系統相媲美的出色性能。

圖2 聚合物電解質的特性

結果表明，在所有P1和P2系列聚合物中，聚合度（DP）值為150的P1具有最佳的機械強度和最高的離子導電率（室溫下為 7.12×10^-4 S cm^-1）。在長期對稱循環過程中，P1-SPE表現出優異的電壓穩定性和與鋰金屬的穩定接觸。值得注意的是，當采用P1電解質（鋰|P1電解質|LFP）組裝鋰金屬電池時，這些電池呈現出卓越的電化學性能，例如在中等高電流密度（0.1和2 C倍率下分別為144.1和 93.0 mA h g^-1）和長循環（550 次循環后容量保持率為 97%）下的優異性能。該設計的聚合物電解質非常成功，具有良好/可調的機械完整性和高鋰離子電導率，適用于帶有金屬鋰負極的全固態電池。此外，其分子設計非常簡單，在聚合物骨架上增加了氧原子，這使得能夠超越最先進的SPE離子電導率值，從而為創造與SPE搭配使用的更安全的LMB提供了多種可能性。

圖3 帶有LFP正極的P1和P2電解質在室溫下的電化學性能

Highly Conductive Polyoxanorbornene-Based Polymer Electrolyte for Lithium-Metal Batteries. Advanced Science 2023. DOI: 10.1002/advs.202302932