1. Energy & Environmental Science: 非離子兩親聚合物對水性電解質的納米級疏水限制用于長效寬溫鋅基儲能

隨著可再生能源需求的增長，鋅金屬負極的水系鋅離子裝置構成了新興的下一代儲能系統。在過去的幾年中，已經開發出復雜的策略來生產堅固的電極和電解質以及它們的界面以減輕鋅枝晶生長和副反應，但仍然需要使用簡單的策略(例如電解質添加劑)將電化學穩定性提高到商業水平想要的。

在此，西南石油大學何顯儒教授&松山湖材料實驗室王欣研究員&廈門大學喬羽教授團隊報告了一種可擴展的電解質工程，其特征是一種親水性調節的非離子兩親聚合物添加劑，可以從根本上抑制與水相關的副反應。帶有親水和疏水單元的聚合物添加劑促進了局部納米級貧水環境，該環境基本上從水性介質中去除了Zn²⁺的溶劑。親水鏈段在鋅負極上的優先吸附也會產生局部疏水層，協同保護金屬免受直接水腐蝕。

此外，調整后的電解質增加了負極上的陰離子分解，這進一步導致了富F和O不足的界面，從而促進了穩定的負極。

圖1. APA在純水和Zn(OTf)₂水溶液中的溶液結構

研究發現，在普通液體電解質中只有1wt.%的APA時Zn負極可以實現潛在的商業應用。該電解質使鋅-鋅對稱電池的循環壽命比原始電解質延長了175倍。此外使用含APA電解質的Zn-AC混合離子超級電容器也表現出良好的循環性能（超過3萬次循環），在5 A g^-1時容量保持83.6%。同時含APA的電解質能夠實現出色的寬溫操作，Zn-AC混合離子超級電容器在-20℃(1 A g^-1)下穩定循環3000次，對稱電池從50℃降至-30℃仍可以平穩運行。

因此，該工作利用兩親性聚合物添加劑在水介質中產生微尺度疏水環境，提出了一種新的鋅負極穩定設計原則，強調循環增強效果和操作的便利性。通過合理設計單體和比例，APA有望推廣到其他發生界面副反應的金屬離子水系電池。。

圖2. APA改進鋅金屬負極的電化學性能

Nano-scaled Hydrophobic Confinement of Aqueous Electrolyte by Nonionic Amphiphilic Polymer for Long-lasting and Wide-temperature Zn-based Energy Storage, Energy & Environmental Science 2023 DOI: 10.1039/d2ee04023a

2. Advanced Materials：用于穩定的富鎳正極和高能金屬負極的聚合物電解質的耐用和可調節界面工程

實現高壓固態鋰金屬電池的穩定循環對于具有高能量密度和高安全性的下一代可充電電池至關重要。然而，迄今為止正/負電極中復雜的界面問題阻礙了其實際應用。

在此，北京化工大學陳仕謀教授團隊為了同時解決這種界面限制并在電解質中獲得足夠的Li⁺導電性，通過簡單的表面原位聚合（SIP）在正極側開發了一個超薄和可調節的界面，實現了持久的高電壓耐受性和鋰枝晶的抑制。集成的界面工程制造了一個具有優化界面相互作用的均勻的固體電解質，有助于控制鎳鈷錳酸鋰和聚合物電解質之間的界面相容性，同時還能防止鋁制集流體的腐蝕。

圖1. SIP-NCM的作用機制

通過SIP技術為固體聚合物電解質構建持久可調的界面涂層，該涂層對富鎳正極和高能金屬負極都顯示出良好的兼容性，并同時具有持久的耐高壓性和抑制鋰枝晶的能力。對基本機制的深入了解表明，SIP衍生的均勻涂層具有優化的界面相互作用，促進了各種NCM正極和聚合醚/LiTFSI電解液之間的界面兼容性，同時也提高了Al集電器的耐腐蝕性。

因此，它成為一種有前途的高壓涂層候選材料，使NCM||Li全電池和Na₃V₂(PO₄)₃(4.2V)||Na電池具有良好的長循環穩定性。此外，SIP策略可以成為構建雙層電解質的一種便捷方法。形成的雙層電解質結構可以方便地調整固體電解質的組成，并有助于功能添加劑的持續緩釋效果，這對穩定兩個電極是有利的。研究還證明，SIP衍生的涂層含有短鏈聚醚成分，由于其強大的短鏈螯合能力，增強了緩釋效果。所提出的SIP使NCM811(4.3 V)||Li全電池成功地形成了高質量的涂層，在高電流密度下具有出色的無枝晶操作和突出的長期循環穩定性。該SIP為開發固體聚合物電解質和界面工程提供了新的指導，以實現高電壓和高能量的金屬電池技術。

圖2. SIP-NCM全電池的電化學性能

Durable and Adjustable Interfacial Engineering of Polymeric Electrolytes for Both Stable Ni-Rich Cathodes and High-Energy Metal Anodes, Advanced Materials 2023 DOI: 10.1002/adma.202300982

3. Angewandte Chemie International Edition：通過電場和熱場調節實現低溫鉀電池

在零下溫度下運行的充電電池通常受到低溫下緩慢的離子擴散和不均勻的電荷分布限制。

在此，湖南大學魯兵安教授團隊通過調節電場和熱場的策略，為鉀金屬電池 (PMB) 中的鉀離子創造了快速均勻的沉積環境。具體而言，該工作是通過使用高度有序的一維納米陣列電極實現的，該電極提供致密平坦的表面以均勻電場和高導熱性以減少溫度波動。

圖1. 高度有序一維納米陣列電極的電場和熱場分布的設計概念和模擬

在這項工作中，作者展示了一維納米陣列電極中電場和熱場的雙重調節策略，以均勻電荷分布。首先，模擬結果表明，間隙小于0.05μm的1D納米陣列電極給出了高度均勻的電場和熱場分布。其次，作者制作了一個致密且高度有序的石墨烯碳納米管陣列（hoCNT）作為示例。在室溫下，不對稱電池在10mAh cm^-2的面積容量下可運行420小時，在1.2mAh cm^-2的面積容量上可運行3000小時。令人印象深刻的是，與使用常規銅和石墨烯（GN）電極的電池相比，它可以在-20°C下運行282小時。

此外，hoCNT電極允許在不同溫度下沉積鉀，并揭示了與溫度相關的成核關系。即無負極鉀全電池可在-20℃下工作，容量超過室溫容量的80%。這些優異的性能歸因于電場和熱場的組合策略在低溫鍍/剝離過程中抑制枝晶生長的積極作用。本研究討論了電場和熱場在鉀金屬沉積中的作用，為今后設計用于鉀基電池的低溫枝晶生長電極鋪平了道路。

圖2. 鉀的低溫沉積行為

Low-Temperature Potassium Batteries Enabled by electric and Thermal Field Regulation, Angewandte Chemie International Edition 2023 DOI: 10.1002/anie.202300016

4. Energy & Environmental Science：具有極高初始庫侖效率的固態硅負極

硅被認為是固態電池(SSBs)的重要負極材料，因為它在解決與鋰金屬負極相關的關鍵挑戰(如枝晶形成和形態不穩定性)方面具有獨特的性能。盡管之前關于固態硅負極的報道有許多令人興奮的結果，但其初始庫侖效率(ICE)并沒有得到很好的解決且直接影響電池的能量密度。

在此，倫斯勒理工學院Han Fudong、三星美國高級技術學院Wang Yan研究了Si與三種具有代表性的固體電解質(SEs)之間的電化學穩定性，包括典型的硫化物(75Li₂S-25P₂S₅, LPS)、碘取代硫化物(70(0.75Li₂S-_0.25P₂S₅)-60LiI, LPSI)和氫化物基SE(3LiBH₄-LiI, LBHI)，以改善Si固態負極的ICE。同時，結合第一性原理計算，電化學測量，非原位XPS表征和機械性能測量等表明與硫化物相比，LBHI展現了優異的電化學和化學穩定性，創造了迄今為止報道的高性能固態硅負極最高的ICE（96.2%）。

圖1. 固態硅基全電池電化學性能

總而言之，本文采用計算和實驗相結合的方法，系統地研究了硅與不同SEs之間的化學和電化學穩定性。即在硅負極的充放電過程中，可以觀察到SEs的表觀電化學分解。SEs的分解不僅導致了有限的ICE（LPS為75.9%，LPSI為77.6%），而且還增加了后續循環的電極電位。因此，無論使用何種電解質（液體或固體），LBHI都具有良好的電化學和化學穩定性，其中最高的ICE為96.2%。

此外，在具有富鎳層狀氧化物正極的固態全電池中，Si負極的LBHI也表現出了優異的穩定性，使用LBHI的Si||NCA全電池在0.5C條件下提供了152 mAh/g的高放電容量，比LPSI和LPS全電池具有更好的循環穩定性。因此，該研究為開發高性能硅負極的實際應用提供了新的見解。

圖2. 硅||NCA全充放電過程中的壓力變化

Solid-State Silicon Anode with Extremely High Initial Coulombic Efficiency, Energy & Environmental Science 2023 DOI: 10.1039/d2ee04057c

5. Advanced Materials：固態聚合物電解質故障的診斷和糾正用于增強固態鋰硫電池

固態聚合物電解質(SPEs)在開發高性能且可靠的固態電池方面吸引了極大的興趣。然而，對SPE和基于SPE的固態電池的失效機制的理解仍處于起步階段，這對實用的固態電池構成了很大的障礙。

在此，大連理工大學王治宇教授團隊確定了“死”多硫化鋰(LiPS)在正極和具有固有擴散限制的SPE之間的界面上的高度累積和堵塞是基于SPE的固態Li-S電池的關鍵失效原因。具體而言，LiPS在正極-SPE界面和SPE中引起了難以逆轉的化學環境，導致Li-S固態電池中的反應動力學減慢。而在液態電解質中，LiPS會溶解但仍進行電化學/化學氧化還原反應而不會產生界面堵塞。

此外，通過電催化證明了在擴散限制的反應介質中調節化學環境以減少Li-S氧化還原反應失效的可行性。

圖1. 診斷Li-S電池中陰極界面和SPE中的 “失活 “LiPS的積累

總的來說，通過對工作狀態下的固態Li-S電池進行多種原位分析，揭示了LiPS在正極界面和SPE中的分布演化。研究發現，高度堆積的“失活”LiPS未參與Li-S氧化還原反應并阻塞了這些區域。這種效應不僅降低了SPE中的界面性質和離子通道，拉低了氧化還原反應動力學，而且通過不可逆的Li⁺和活性硫的損失，損害了電池的可逆性。單原子電催化被證明可以有效糾正正極界面上Li-S氧化還原動力學和離子傳輸的不匹配，從而減少了“失活”LiPS進入SPE的隔離現象。

因此，解決這種SPE中的固態Li-S氧化還原困難可以全面提高Ah級固態Li-S軟包電池的容量、能量效率和循環穩定性。且該研究為開發高性能固態Li-S電池的提供了指導。

圖2. 固態Li-S電池的性能

Diagnosing and Correcting the Failure of Solid-state Polymer Electrolyte for Enhancing Solid-state Lithium-sulfur Battery, Advanced Materials 2023 DOI: 10.1002/adma.202212039

6. Angewandte Chemie International Edition：用于生物質醛衍生物半氫化并同時增強功率輸出的鋅有機電池

發電和化學生產對于現代文明的可持續發展都至關重要。

在此，中科院上硅所施劍林院士團隊建立了一種新型雙功能鋅有機電池，用于同時提高一系列生物質醛衍生物的電能輸出和半氫化，用于高附加值的化學合成。其中，以Cu箔負載富邊緣Cu納米片作為正極電催化劑(Cu NS/Cu箔)的Zn-糠醛(FF)電池，分別表現出高達15 mA cm^-2和2.00 mW cm^-2的最大電流密度和功率密度，同時產生高附加值糠醇(FAL)產物。

以H₂O作為H源時，Cu NS/Cu箔催化劑在FF選擇性加氫反應中表現出優異的電催化性能，轉化率和選擇性分別高達93.5%和93.1%，并在各種生物質醛類化合物的選擇性加氫過程中具有卓越的性能。

圖1. Cu NS/Cu箔催化劑的作用機制

總的來說，本文構建出一種新型的負極Zn氧化耦合正極醛類化合物(糠醛, FF)選擇性加氫電化學系統，即Zn-FF電池。其可以在增強電力輸出的同時，通過生物質醛類化合物加氫合成高附加值化學品。此外，成功地制備出富邊緣Cu NS電催化劑，在FF選擇性加氫制備FAL過程中表現出優異的電催化性能。

得益于FF選擇性加氫的高理論電位和Cu NS/Cu箔催化劑的杰出催化活性，以Zn板作為負極和Cu NS/Cu箔作為正極的Zn-FF電池表現出卓越的雙功能性，在輸出電力的同時生成高價值產物FAL，最大電流密度和峰值功率密度分別高達14.6 mA cm^-2和2.00 mW cm^-2。該研究不僅揭示出低配位Cu位點在生物質醛類化合物選擇性加氫合成高附加值化學品過程中的重要作用，而且顯著拓寬了金屬基功能電池的范圍。

圖2. Zn-FF電池的電化學性能

Zn-Organic Batteries for the Semi-Hydrogenation of Biomass Aldehyderivatives and Concurrently Enhanced Power Output, Angewandte Chemie International Edition 2023 DOI: 10.1002/anie.202218603

7. Advanced Energy Materials：界面缺陷與內部缺陷協同作用導致固態電解質的機械失效

由鋰金屬陽極的生長引起的固態電解質的機械失效阻礙了具有良好安全性和高能量密度的固態鋰金屬電池的發展，因此了解失效機理對于固態鋰金屬電池的應用具有重要意義。

在此，西安交通大學劉洋洋團隊基于Butler-Volmer方程和連續損傷力學建立了一個改進的電化學-機械模型，以揭示鋰金屬在界面和內部缺陷處電沉積導致的固態電解質的機械失效。

在該模型中，選擇了NASICON基電解質Li_1.3Al_0.3Ge_1.7(PO₄)₃ (LAGP)，這是一種具有高離子電導率和相對高氧化物電勢的抑制性固體電解質，并將其視為一個連續體。通過對Li金屬電沉積過程中應力分布、相對損傷和相應裂紋擴展的可視化，將界面缺陷的形狀和燒結產生的內部缺陷的相關數量納入多物理模擬，以說明電解質的失效過程。

圖1. 固態電解質在最終狀態下的機械故障

基于應力場的可視化，作者認為界面缺陷空間內Li的限制電沉積壓縮了固態電解質的近區域，并產生了局部應力場，隨著Li的進一步生長而在電解質內部傳輸。因此，應力場引起的相對損傷從界面缺陷的頂部傳播，并由內部空隙的存在進一步調節，內部空隙可以二次管理損傷路徑，并作為固態電解質內部的內部源泉。

此外，界面缺陷和內部空隙對固態電解質機械失效的影響表現出競爭關系，這取決于內部空隙的位置。值得注意的是，這項工作清楚地理解了固態電解質的機械失效與界面缺陷幾何形狀以及內部缺陷的數量和位置的協同效應之間的關系，為固態電解質的進一步設計提供了指導。即固態鋰金屬電池的壽命可以使用有效的策略合理延長，該策略可用于指導基于界面和內部缺陷協同作用的固態電解質機械失效的問題。

圖2. 空隙數量對固態電解質機械故障的影響

Mechanical Failure of Solid-State Electrolyte Rooted in Synergy of Interfacial and Internal Defects, Advanced Energy Materials 2023 DOI: 10.1002/aenm.202203614

8. Energy & Environmental Science：分子刷：一種用于均勻化日歷壽命鋅電池的快速 Zn²⁺ 通量和沉積的離子再分布器

水系鋅金屬電池在固定儲能技術方面具有廣闊的前景，但不穩定的鋅-電解質界面導致鋅金屬負極令人討厭的枝晶生長和低循環效率大大阻礙了它們的實際應用。

在此，西北工業大學王建淦教授團隊提出了一種多功能的分子刷表面接枝策略，以合理地構建一個穩健的離子調節界面，用于超穩定的Zn負極。分子刷的致密磺基末端納米通道可作為離子再分配器，以高轉移均勻化界面上的Zn²⁺通量，并通過抑制水合Zn²⁺的去溶劑化勢壘來加快沉積動力學。

圖1. PSPMA分子刷界面層的作用機制

總而言之，本文通過簡單的光引發表面自由基聚合策略，構建了堅固而輕質的PSPMA分子刷接枝界面，用于高效和無枝晶的鋅金屬負極。該界面提供了密集的磺基端部納米通道，作為一種強大的離子再分布器，可以快速均勻地引導Zn²⁺通量和沉積，提高了水合Zn²⁺的遷移數，降低了Zn²⁺的脫溶勢壘能。

因此，設計的PSPMA@Zn負極可在900次循環中提供高達99.9%的庫侖效率，在10 mA cm^-2的高電流密度下，超長鍍鋅/脫鋅壽命超過2500小時，積累了前所未有的12.5 Ah cm^-2的電鍍容量。改性負極還使全電池實現增強的速率和循環性能。本研究不僅為親鋅基團表面接枝聚合物分子刷提供了一種多功能的設計策略，而且從根本上闡明了其在穩定鋅金屬負極方面的卓越意義，為鋅金屬電池及其他領域開辟了新的動力。

圖2. Zn||MnO₂全電池PSPMA@Zn負極的實際演示

Molecular brush: an ion-redistributor to homogenize fast Zn2+ flux and deposition for calendar-life Zn batteries, Energy & Environmental Science 2023 DOI: 10.1039/d2ee03952d