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1. 周豪慎/潘安強(qiáng)Nature子刊: 9微米厚隔膜用于350 Wh/kg鋰金屬軟包電池！

8篇電池頂刊：周豪慎、張強(qiáng)、余彥、孫潔、李巨、魯兵安、范麗珍、徐吉靜等成果

理論上，使用比傳統(tǒng)隔膜（> 20 μm）更薄的隔膜將提高鋰電池的能量密度和比能量。然而，較薄的隔膜會(huì)增加鋰離子電池和鋰金屬電池中形成的鋰枝晶發(fā)生內(nèi)部短路的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1. 無(wú)裂紋改進(jìn)超薄MOF基隔膜的示意圖和特征

在此，日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所（AIST）/南京大學(xué)周豪慎教授、中南大學(xué)潘安強(qiáng)教授等人通過(guò)電流驅(qū)動(dòng)的電合成技術(shù)在商用超薄聚丙烯隔膜（8μm）的通道/空隙中原位生長(zhǎng)無(wú)裂紋ZIF-8 MOF，同時(shí)在MOF通道中聚集電解質(zhì)。令人振奮的是，改進(jìn)后的基于MOF的超薄隔膜厚度只有9 μm，其重量幾乎與原始的商用超薄聚丙烯隔膜基底相同（0.82 mg/cm² vs 0.80 mg/cm²）。更有趣的是，在紐扣電池的電流驅(qū)動(dòng)過(guò)程中，無(wú)裂紋的超薄MOF隔膜僅含有微量的液體電解質(zhì)（本研究中為3.1mg/cm²，而在典型電池中添加32.4 mg/cm²），其在MOF通道內(nèi)產(chǎn)生聚集結(jié)構(gòu)。因此，基于改進(jìn)的超薄隔膜與MOF通道內(nèi)的聚合電解質(zhì)相結(jié)合的電池總重量?jī)H為使用市售的超薄隔膜和典型電解質(zhì)組裝電池的12%。

圖2. 改進(jìn)的超薄MOF基隔膜的物理化學(xué)性質(zhì)

因此，得益于改進(jìn)的超薄輕型MOF基隔膜，在典型的碳酸酯電解液（1 mol/L LiPF₆-EC/DMC，最初與鋰金屬不兼容）中采用兩倍過(guò)量的鋰組裝的Li||Cu半電池在1800小時(shí)內(nèi)的平均CE高達(dá)99.7%。此外，Li有限的NCA||Li全電池在400次循環(huán)后仍保持176 mAh/g的容量（超過(guò)其初始容量的90%），這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了使用傳統(tǒng)超薄隔膜的NCA||Li全電池（僅31次循環(huán)后容量變?yōu)?5.5 mAh/g，之后電池失效）。最重要的是，由于隔膜和電解液的重量較輕，最終實(shí)現(xiàn)了具有354 Wh/kg高能量密度的鋰金屬軟包電池（25.2 mg/cm²NCA質(zhì)量負(fù)載，N/P比為3.96，E/C比為1 g Ah^-1），200次循環(huán)后仍具有80%的容量?？傊@種在軟包電池級(jí)別的改進(jìn)策略可更簡(jiǎn)單有效地加速實(shí)用鋰金屬電池的開發(fā)。

圖3. 基于超薄MOF基隔膜制造的350 Wh/kg軟包電池

An improved 9?micron thick separator for a 350?Wh/kg lithium metal rechargeable pouch cell, Nature Communications 2022. DOI: 10.1038/s41467-022-34584-z

2. 清華張強(qiáng)教授Science子刊: 揭示工作中固態(tài)鋰金屬電池的空洞形成行為

目前，學(xué)術(shù)界探索固態(tài)電化學(xué)器件的主要障礙是缺乏對(duì)未知固-固界面演化行為的基本理解。其中，鋰（Li）空洞的形成是固態(tài)電池中電池失效的最重要原因之一，關(guān)鍵問(wèn)題是難以捉摸的界面Li空洞產(chǎn)生和演化機(jī)制需要深入解釋。

在此，清華大學(xué)張強(qiáng)教授等人通過(guò)多尺度觀察和量化，闡明了固態(tài)電池中界面Li空洞的形成和演化機(jī)制。具體而言，作者將Li空洞行為與液相中的氣泡產(chǎn)生過(guò)程進(jìn)行類比以了解其形成和生長(zhǎng)機(jī)制。考慮到成核和生長(zhǎng)理論，如果將塊狀Li金屬視為“溶液”，那么空隙可以看作是其中的“氣泡”。在界面處Li剝離形成空洞后，由于內(nèi)部的空洞擴(kuò)散，空洞會(huì)擴(kuò)散到塊狀Li中，就像“氣泡漂浮”一樣，擴(kuò)散系數(shù)可視為“浮動(dòng)速率”。在高電流密度下，“空泡”會(huì)迅速形成。由于氣泡的浮動(dòng)速率是固定的，因此空泡會(huì)堆積在界面處。此外，作者通過(guò)宏觀電化學(xué)量化、多尺度顯微觀察和原子DFT分析揭示了Li空洞形成現(xiàn)象，應(yīng)用原位恒電流電化學(xué)阻抗譜（GEIS）和弛豫時(shí)間分布（DRT）來(lái)量化由不同電流密度和容量引起的界面接觸損失過(guò)程。

圖1. Li剝離過(guò)程中對(duì)界面Li空隙的多尺度觀察

通過(guò)將電化學(xué)性能與微觀形態(tài)聯(lián)系起來(lái)，作者說(shuō)明了各種電流密度（1.0~10.0 mA cm^-2）下的接觸損耗現(xiàn)象。電流密度控制空洞成核，容量控制空洞生長(zhǎng)直到接觸損失失效?？蘸说拇笮∨c電流密度成反比，誘導(dǎo)比面積與電流密度成正比，總接觸損失率估計(jì)與i²成比例。微觀上，典型的接觸損耗經(jīng)歷了從0D空洞成核、2D發(fā)展到3D延伸的演化過(guò)程，涉及空洞積累的穩(wěn)定、過(guò)渡和破壞三個(gè)典型階段。這種生長(zhǎng)類型轉(zhuǎn)變歸因于表面Li原子中連續(xù)空穴注入導(dǎo)致的能量增加，促進(jìn)了Li吸附原子擴(kuò)散引起的3D延伸?？勺冸娏髫?fù)載將導(dǎo)致不可預(yù)測(cè)的界面形態(tài)演化，這會(huì)給實(shí)際場(chǎng)景中保持界面可逆性帶來(lái)困難。根據(jù)空洞形成理論，提高固有空洞擴(kuò)散率、抑制界面極化和構(gòu)建孔隙率低于臨界空洞尺寸的Li框架是克服界面空洞引發(fā)困境的潛在原理，可促進(jìn)實(shí)際全固態(tài)鋰金屬電池的廣泛應(yīng)用。

圖2. 界面缺陷的微觀特征及定量關(guān)系

The void formation behaviors in working solid-state Li metal batteries, Science Advances 2022. DOI: 10.1126/sciadv.add0510

3. 余彥/芮先宏/姚雨AM: 單原子釩催化劑促進(jìn)鈉硫電池中多硫化物的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)

目前，室溫鈉硫（RT Na-S）電池因理論能量密度高、硫/鈉含量豐富、環(huán)境友好、成本低等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注。然而，其實(shí)際應(yīng)用受到S的電子絕緣性質(zhì)、緩慢反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、大體積變化及可溶性多硫化鈉（NaPSs）的穿梭效應(yīng)等問(wèn)題的阻礙。

在此，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)余彥教授、姚雨及廣東工業(yè)大學(xué)芮先宏教授等人基于第一性原理計(jì)算，設(shè)計(jì)并制備了錨定在三維N摻雜分級(jí)多孔碳基體上的單原子釩催化劑（3D-PNCV），以提高硫的反應(yīng)活性、NaPSs的吸附和催化轉(zhuǎn)化性能。為篩選出對(duì)多硫化物具有最高吸附和催化轉(zhuǎn)化效率的單原子催化劑（SAC），作者首先使用第一性原理計(jì)算評(píng)估了單原子底物（如V、Mn、Fe、Ni和Co）與多硫化物之間的相互作用。理論結(jié)果表明V單原子是最有效的催化劑，可將液態(tài)多硫化物快速催化轉(zhuǎn)化為固態(tài)多硫化物。隨后，作者構(gòu)建了以原子方式分散在三維N摻雜多孔碳基體中的N、O配位V活性位點(diǎn)作為理想主體，以改善NaPSs的化學(xué)吸附及其有效轉(zhuǎn)化。

圖1. DFT研究金屬單原子催化劑與NaPS之間的界面相互作用

研究表明，3D-PNCV主體具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）具有豐富微/介孔的3D-PNCV主體不僅可為S/Na₂S提供快速電子通道，還可減輕S鈉化引起的體積膨脹；2）3D-PNCV可促進(jìn)電解液滲透；3）高活性V單原子通過(guò)強(qiáng)V-N鍵有效捕獲多硫化物并抑制其溶解，從而及時(shí)催化多硫化物轉(zhuǎn)化為固態(tài)放電產(chǎn)物。因此，當(dāng) 3D-PNCV主體應(yīng)用于Na-S化學(xué)時(shí)，它顯示出出色的循環(huán)穩(wěn)定性（在5 A g^-1下800次循環(huán)后容量為445 mAh g^-1，每次循環(huán)對(duì)應(yīng)的容量損失僅為0.026%）和優(yōu)異的倍率性能（224 mAh g^-1@10 A g^-1）。此外，作者還通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論進(jìn)一步揭示了NaPSs的電催化機(jī)理?？傊?，這項(xiàng)工作為設(shè)計(jì)用于Na-S化學(xué)的獨(dú)特SAC以促進(jìn)多硫化物的氧化還原反應(yīng)開辟了一條新途徑。

圖2. 3D-PNCV@S電極的電化學(xué)性能

Single-Atom Vanadium Catalyst Boosting Reaction Kinetics of Polysulfides in Na-S Batteries, Advanced Materials 2022. DOI: 10.1002/adma.202208873

4. 天大孫潔AM: 新型局部電場(chǎng)策略促進(jìn)磷負(fù)極的動(dòng)力學(xué)和界面穩(wěn)定性

在眾多電極材料中，磷負(fù)極因其高理論比容量和安全的鋰化電位而成為儲(chǔ)能應(yīng)用的有前途選擇。然而，多相磷鋰化/脫鋰反應(yīng)和可溶性反應(yīng)中間體導(dǎo)致反應(yīng)動(dòng)力學(xué)緩慢和活性材料損失。因此，迫切需要磷負(fù)極的溶解抑制和動(dòng)力學(xué)促進(jìn)策略。

在此，天津大學(xué)孫潔教授等人開發(fā)了一種局部電場(chǎng)策略（LEF）策略，通過(guò)優(yōu)化離子共價(jià)有機(jī)框架（iCOF）來(lái)抑制多磷化鋰（LiPPs）溶解并促進(jìn)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。由不平衡電荷分布引起的LEF可極大促進(jìn)原子級(jí)的電荷轉(zhuǎn)移，從而實(shí)現(xiàn)快速電化學(xué)反應(yīng)。進(jìn)一步，作者探索了兩種含有相反電荷的iCOF（具有陽(yáng)離子骨架的TpEB-FSI和具有陰離子骨架的TpPa-SO₃Li）來(lái)為磷負(fù)極構(gòu)建不同的LEF效應(yīng)。其中，陽(yáng)離子COF表現(xiàn)出比陰離子COF更好的循環(huán)穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)測(cè)量和理論計(jì)算表明，PPs^x-和陽(yáng)離子骨架之間的強(qiáng)靜電引力可有效限制溶解的LiPPs物種并調(diào)整PPs^x-的電子結(jié)構(gòu)以降低反應(yīng)能壘。此外，陽(yáng)離子COF可誘導(dǎo)鋰鹽的分解反應(yīng)形成穩(wěn)定堅(jiān)固且富含LiF的SEI，可有效提高磷負(fù)極的界面穩(wěn)定性。

圖1. 常規(guī)（下）和陽(yáng)離子COF輔助磷負(fù)極（上）的對(duì)比示意圖

同時(shí)，iCOFs對(duì)磷顆粒與碳基底的球磨結(jié)合起到了積極的作用，該方法具有低成本和大規(guī)模生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是制備磷/碳雜化物最有效的途徑。傳統(tǒng)的球磨方法嚴(yán)重破壞了碳材料的固有結(jié)構(gòu)，破壞了電子傳遞途徑。本文提出的LEF效應(yīng)使iCOF成為剝離輔助劑，可獲得尺寸大、層數(shù)少的高質(zhì)量石墨烯，這為與磷的復(fù)合提供了更大的表面積，并為快速電化學(xué)反應(yīng)提供了連續(xù)的電子轉(zhuǎn)移途徑。因此，陽(yáng)離子COF輔助磷負(fù)極（TpEB-FSI@P/G）可在10.4 A g^-1（8.6 C）下提供1227.8 mAh g^-1的高容量，且在1.3 A g^-1下循環(huán)500次后容量保持率為87%。總之，這項(xiàng)工作提出了一種簡(jiǎn)便的LEF策略來(lái)解決磷負(fù)極的綜合問(wèn)題，并通過(guò)球磨法拓寬了iCOF作為二維材料剝離輔助劑的功能。

圖2. TpEB-FSI@P/G負(fù)極的電化學(xué)性能

Local Electric Field-Promoted Kinetics and Interfacial Stability of Phosphorus Anode with Ionic Covalent Organic Framework, Advanced Materials 2022. DOI: 10.1002/adma.202208514

5. 麻省理工李巨教授AEM觀點(diǎn): 電網(wǎng)規(guī)模鋰離子電池儲(chǔ)能的主要挑戰(zhàn)

由于全球氣候變化，不可逆轉(zhuǎn)的損害會(huì)在未來(lái)十年內(nèi)迅速發(fā)生，因此能源基礎(chǔ)設(shè)施的快速轉(zhuǎn)型至關(guān)重要。普遍認(rèn)為，一種實(shí)用的脫碳策略是將8小時(shí)的鋰離子電池（LIB）電能存儲(chǔ)與風(fēng)能/太陽(yáng)能發(fā)電相結(jié)合，并使用現(xiàn)有的化石燃料設(shè)施作為備用。要達(dá)到百太瓦時(shí)級(jí)別的LIB儲(chǔ)能，關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于安全和回收。

圖1. 使用8小時(shí)LIB存儲(chǔ)的可持續(xù)能源生產(chǎn)示意圖

在此，美國(guó)麻省理工學(xué)院李巨教授等人給出了關(guān)于電網(wǎng)規(guī)模LIB儲(chǔ)能主要挑戰(zhàn)的前瞻性觀點(diǎn)，并簡(jiǎn)要概述了電池安全和回收兩個(gè)方向的持續(xù)創(chuàng)新。首先，作者概述了低碳能源轉(zhuǎn)型的過(guò)程中替代傳統(tǒng)化石能源的最佳解決方案，即≈8小時(shí)的LIB存儲(chǔ)穩(wěn)定的風(fēng)能/太陽(yáng)能+帶有熱存儲(chǔ)的核能，而傳統(tǒng)的化石燃料系統(tǒng)作為備用電源。“8小時(shí)的能量”是一個(gè)口語(yǔ)術(shù)語(yǔ)，用于顯示與一次能源使用對(duì)比的規(guī)模，但如果僅通過(guò)電能使用進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，則更像是60小時(shí)或2.5天的電能存儲(chǔ)。循環(huán)壽命、采礦/制造或資本成本本身不會(huì)成為L(zhǎng)IB儲(chǔ)能系統(tǒng)在未來(lái)十年應(yīng)對(duì)氣候挑戰(zhàn)的阻礙因素，而消防安全和回收問(wèn)題很可能是主要挑戰(zhàn)。幸運(yùn)的是，最近這兩個(gè)方面引起了越來(lái)越多的關(guān)注，并取得了重大的創(chuàng)新和進(jìn)步。

圖2. 不同級(jí)別的LIB存儲(chǔ)和考慮消防安全的關(guān)鍵組件示意圖

首先，在技術(shù)上對(duì)安全方面的發(fā)熱和熱失控起源有了更深入的了解，在材料和工程層面上開發(fā)了更好的設(shè)計(jì)，包括可靠的高壓正極、具有穩(wěn)定SEI的負(fù)極、耐燃性液態(tài)電解質(zhì)、循環(huán)性能好的固態(tài)電解質(zhì)及更好的外在安全裝置和電池管理系統(tǒng)?；厥绽梅矫?，正在尋求更經(jīng)濟(jì)和環(huán)保的冶金工藝（深度回收）及創(chuàng)新的直接回收（淺層回收）方法。二者的優(yōu)化組合可進(jìn)一步提升回收的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境績(jī)效，形成可再生能源產(chǎn)業(yè)中鈷、鎳、鋰等有價(jià)值元素的閉環(huán)，從而大大減輕資源和采礦負(fù)擔(dān)。此外，法規(guī)和管理必須與技術(shù)進(jìn)步同步完善。需要制定最新的現(xiàn)場(chǎng)特定安裝/安全指南和應(yīng)急響應(yīng)措施，認(rèn)真對(duì)待報(bào)廢火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)并制定、執(zhí)行廢棄物管理政策。通過(guò)技術(shù)和管理方面的改進(jìn)，未來(lái)將有望實(shí)現(xiàn)可靠的<90美元/kWh電池組，可穩(wěn)定循環(huán)高達(dá)20000次甚至更多，從而實(shí)現(xiàn)安全可持續(xù)的電網(wǎng)規(guī)模存儲(chǔ)。

圖3. LIB閉環(huán)回收示意圖及產(chǎn)生利潤(rùn)

Key Challenges for Grid-Scale Lithium-Ion Battery Energy Storage, Advanced Energy Materials 2022. DOI: 10.1002/aenm.202202197

6. 魯兵安/于馨智AEM: 高性能鉀正極的層間工程和表面取代錳基自演化

錳基層狀氧化物正極因其在成本和能量密度方面的優(yōu)勢(shì)而備受關(guān)注，其用于鉀離子電池（PIBs）的主要挑戰(zhàn)是復(fù)雜的相變和K⁺嵌入/脫嵌過(guò)程中Mn的溶解。

在此，湖南大學(xué)魯兵安教授、于馨智副教授等人用兩種元素（Rb和Mg）對(duì)P3-K_0.5MnO₂（KMO）正極結(jié)構(gòu)進(jìn)行改性，制備了K_0.45Rb_0.05Mn_0.85Mg_0.15O₂（KRMMO）正極材料來(lái)解決上述挑戰(zhàn)?；谠影霃胶驮鼗蟽r(jià)，大的Rb陽(yáng)離子（1.52 ?）可作為支柱來(lái)擴(kuò)大層間距并穩(wěn)定K層中的結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致K⁺的快速擴(kuò)散和復(fù)雜相變的抑制。同時(shí)，TM位點(diǎn)上小的Mg陽(yáng)離子（0.72 ?）可最大限度地減少M(fèi)n³⁺的Jahn-Teller畸變離子并緩解歧化反應(yīng)。通過(guò)原位XRD和HRTEM分析進(jìn)行的結(jié)構(gòu)表征表明，P3型KRMMO在初始電池組裝過(guò)程中通過(guò)結(jié)構(gòu)自我演化轉(zhuǎn)變?yōu)镺3型結(jié)構(gòu)并在隨后的循環(huán)中保持穩(wěn)定。另一方面，KMO經(jīng)歷了多次相變。此外，通過(guò)抑制O3型向P3型的轉(zhuǎn)變，晶格體積變化變小。

圖1. 充放電過(guò)程中的結(jié)構(gòu)演變和電荷補(bǔ)償機(jī)制

因此，與原始KMO相比，KRMMO表現(xiàn)出顯著優(yōu)異的電化學(xué)性能。其中，它在20和500 mA g^-1下分別表現(xiàn)出108.4和77.3 mAh g^-1的放電容量。甚至，在200 mA g^-1下超過(guò)200次循環(huán)后，KRMMO仍能保持其初始容量的98.2%。進(jìn)一步，作者進(jìn)行了由KRMMO正極和石墨負(fù)極組成的全電池性能測(cè)試以驗(yàn)證KRMMO的實(shí)際應(yīng)用潛力。當(dāng)電流密度從100逐漸增加到500 mA g^-1時(shí)，全電池分別提供了91.6、83.9、78.7、75.4和73.1 mAh g^-1的高倍率可逆容量。在100 mA g^-1時(shí)經(jīng)過(guò)300次循環(huán)后，全電池仍具有86.8%的高容量保持率。因此，這項(xiàng)工作的結(jié)果為增強(qiáng)錳基氧化物的結(jié)構(gòu)提供了新的可能性。在元素取代策略中，了解元素的性質(zhì)和材料的結(jié)構(gòu)變化對(duì)于設(shè)計(jì)新穎和創(chuàng)新的正極材料是必不可少的。

圖2. 全電池器件的電化學(xué)性能

Interlayer-Engineering and Surface-Substituting Manganese-Based Self-Evolution for High-Performance Potassium Cathode, Advanced Energy Materials 2022. DOI: 10.1002/aenm.202203126

7. 北科大范麗珍AFM: 用于高壓鋰金屬固態(tài)電池的分子級(jí)設(shè)計(jì)聚合物電解質(zhì)

在基于固態(tài)聚合物電解質(zhì)（SPE）的鋰金屬電池中，雙離子的不均勻遷移會(huì)導(dǎo)致濃差極化并降低循環(huán)過(guò)程中的界面穩(wěn)定性。具有專門設(shè)計(jì)和定制的化學(xué)結(jié)構(gòu)和粘附性能的SPE將高氧化穩(wěn)定性和聚合物主鏈的快速鋰離子遷移相結(jié)合，從而更好地滿足全固態(tài)電池的性能要求。

在此，北京科技大學(xué)范麗珍教授等人通過(guò)將碳酸亞乙烯酯（VC）與4-乙烯基三氟甲苯（TF3）共聚，提出了一種特殊的用于高壓鋰金屬電池（LMB）的分子級(jí)設(shè)計(jì)聚合物電解質(zhì)（MDPE）。得到的聚合物基體通過(guò)氫鍵和C-F鍵的“σ-空穴”效應(yīng)與鋰鹽陰離子偶聯(lián)，這種分子間相互作用限制了陰離子的遷移并增加了 MDPE的離子轉(zhuǎn)移數(shù)（t_Li+ = 0.76）。進(jìn)一步，作者通過(guò)第一性原理考察了高t_Li+的改進(jìn)機(jī)理和聚合物基體對(duì)鋰鹽陰離子的作用機(jī)理。此外，由于聚合物基體的C=O基團(tuán)和三氟甲基苯（ph-CF₃），MDPE在60 ℃時(shí)表現(xiàn)出寬的電化學(xué)穩(wěn)定性窗口（4.9 V）和與鋰金屬優(yōu)異的電化學(xué)穩(wěn)定性。同時(shí)，聚合物電解質(zhì)的設(shè)計(jì)與一體化制備工藝相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了低界面電阻、高多元性能的SPE。

圖1. 聚合物-陰離子相互作用的機(jī)理

得益于這些優(yōu)點(diǎn)，Li/MDPE/Li對(duì)稱電池可穩(wěn)定循環(huán)1000小時(shí)，而基于PVC系統(tǒng)的對(duì)稱電池在高電流密度下會(huì)在一半的循環(huán)時(shí)間內(nèi)發(fā)生短路。同時(shí)，在0.1、0.025和0.05 mA cm^-2的不同電流密度下，MDPE在30個(gè)循環(huán)前可視地觀察到其界面自愈能力隨著電流密度的增加而增加。此外，為展示MDPE在全電池工藝集成中的功能，作者不僅將其用作電解質(zhì)層，還用作復(fù)合正極中的粘結(jié)劑。通過(guò)在正極層上直接涂覆MDPE漿料制備的NCM811基全固態(tài)電池在0.1 C時(shí)150次循環(huán)后仍具有170 mAh g^-1的高容量（容量保持率超過(guò)80%），且在60 ℃時(shí)庫(kù)侖效率接近100%。綜上所述，這種將分子水平的材料設(shè)計(jì)與工藝創(chuàng)新相結(jié)合的途徑對(duì)于鋰金屬全固態(tài)電池的合理設(shè)計(jì)和開發(fā)具有廣闊的前景。

圖2. 基于MDPE-SPEs的全電池電化學(xué)性能

Molecular-level Designed Polymer Electrolyte for High-Voltage Lithium–Metal Solid-State Batteries, Advanced Functional Materials 2022. DOI: 10.1002/adfm.202209828

8. 吉大徐吉靜Matter: 原位構(gòu)建沸石微管編織隔膜用于超高容量鋰氧電池！

開發(fā)鋰氧（Li-O₂）電池的主要挑戰(zhàn)是絕緣放電產(chǎn)物在陰極的積累，這會(huì)阻礙氧的擴(kuò)散和電子的轉(zhuǎn)移，最終限制電池容量和循環(huán)壽命。

在此，吉林大學(xué)徐吉靜教授等人受生物礦物組織自組裝的啟發(fā)，開發(fā)了一種新的前體-支架/固相-結(jié)晶策略并合成了一種基于微管支架和微管三模態(tài)網(wǎng)絡(luò)的自支撐沸石微管編織織物（ZMT WF）隔膜。其中玻璃纖維（GF）隔膜不僅作為前體支架提供支架藍(lán)圖，還可作為合成硅源以確保沸石沿GF隔膜原位生長(zhǎng)。自組裝ZMT WF具有良好的離子導(dǎo)電性和熱穩(wěn)定性，非常適合作為新型儲(chǔ)能系統(tǒng)的隔膜。此外，沸石良好的離子交換能力有利于獲得優(yōu)秀的可設(shè)計(jì)性。通過(guò)陽(yáng)離子交換作用對(duì)ZMT WF隔膜進(jìn)行改性以逆轉(zhuǎn)其表面電荷特性，因此溴化銨改性的ZMT WF（NH₄ZMT WF）隔膜能夠捕獲反應(yīng)中間體O₂^–并形成離子對(duì)（NH₄⁺-O₂^–CIP）且迅速發(fā)生歧化還原，從而在表面迅速形成Li₂O₂。

圖1. 正極和隔膜上產(chǎn)物的表征

研究表明，NH₄ZMT WF隔膜能夠結(jié)合捕獲和轉(zhuǎn)化步驟，這有利于將放電反應(yīng)區(qū)域擴(kuò)展到隔膜。根據(jù)皮爾遜酸堿概念，ZMT WF表面改性陽(yáng)離子的硬度會(huì)影響放電產(chǎn)物的形成機(jī)制。如，十六烷基三甲基溴化銨改性的ZMT WF（HMZMT WF）隔膜表面的十六烷基三甲基銨離子（CTA⁺）可通過(guò)形成穩(wěn)定的CTA⁺-O₂^–離子對(duì)來(lái)穩(wěn)定超氧化物從而抑制O₂^–的歧化，直到進(jìn)一步進(jìn)行離子交換并沉淀為固體LiO₂。此外，電解液中的游離O₂^–被NH₄ZMT WF隔膜捕獲并固定，防止其侵蝕陰極和電解液，從而減少不良副產(chǎn)物的形成和積累。受益于所有這些優(yōu)勢(shì)，Li-O₂ 電池顯示出超過(guò)25000 mAh g^-1的增強(qiáng)容量（遠(yuǎn)高于商用GF隔膜的5500 mAh g^-1）和超過(guò)4000小時(shí)的延長(zhǎng)循環(huán)性能。總之，這些啟發(fā)性的發(fā)現(xiàn)對(duì)Li-O₂電池的隔膜設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義，并進(jìn)一步推動(dòng)該電池體系的發(fā)展。

圖2. Li-O₂電池的電化學(xué)性能

In situ construction of glass-fiber-directed zeolite microtube woven separator for ultra-high-capacity lithium-oxygen batteries, Matter 2022. DOI: 10.1016/j.matt.2022.10.013

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