1. 王星輝/魯兵安Nano-Micro Lett.：全固態薄膜鋰硫電池，循環超500次！

鋰硫（Li-S）體系加上薄膜固態電解質作為一種新型的高能微型電池，對于補充嵌入式能量采集器以實現物聯網微型設備的自主性具有巨大潛力。然而，S在高真空中的揮發性和內在的遲緩動力學阻礙了研究人員將其融入全固態薄膜電池中，這導致在制造全固態薄膜Li -S電池（TFLSBs）方面缺乏經驗。

圖1 TFLSB的制備示意圖

福州大學王星輝、湖南大學魯兵安等首次通過堆疊垂直石墨烯納米片-Li₂S（VGs-Li₂S）復合薄膜正極、鋰-磷-氧氮化物（LiPON）薄膜固態電解質和鋰負極，成功創建了TFLSBs。全電池表現出卓越的電化學穩定性，證明了將Li-S系統轉移到TFB的可行性。VGs-Li₂S復合薄膜正極在3,000次循環中具有優異的電化學耐久性，這歸功于薄膜固態電解質與VGs-Li₂S復合薄膜之間良好的兼容性和出色的界面穩定性，這從根本上抑制了”穿梭效應”。

圖2 VGs-Li₂S薄膜正極的電化學性能

此外，所開發的固態Li-S系統可以在高達60℃的高溫下工作，并具有20.47 μAh cm^-2的高平均容量。更重要的是，基于VGs-Li₂S的TFLSBs可以在10 μA cm^-2的條件下進行500次循環，并提供5.52 μAh cm^-2的放電容量。

據作者所知，這是首次證明VGs-Li₂S基TFLSBs（VGs-Li₂S/LiPON/Li）的可循環性，這對于進一步提高TFB的面積和體積能量密度顯示出巨大的潛力。這些結果為Li₂S基正極材料在TFBs中的應用奠定了基礎，并可以為設計下一代高能量密度TFLSBs提供指導。

圖3 TFLSBs的電化學性能

All-Solid-State Thin-Film Lithium-Sulfur Batteries. Nano-Micro Letters 2023. DOI: 10.1007/s40820-023-01064-y

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2. 佘偉/章煒/李恬Carbon Energy：受木材啟發的隔熱阻燃材料助力電池保護

由于可穿戴電子設備的快速發展以及電動汽車生產和使用的穩步增長，電池安全問題在全世界引起了相當大的關注。由于電池故障失效通常與機械-熱耦合行為有關，因此迫切需要具有優良機械堅固性和阻燃性能的保護性屏蔽材料來緩解熱失控。然而，大多數隔熱材料的強度不足以保護電池免受機械濫用，而機械濫用是造成災難性后果的最關鍵情況之一。

圖1 CSH木材的制備工藝

東南大學佘偉、章煒、普渡大學李恬等受木材的啟發，開發了一種有效的方法，即通過水合硅酸鈣和聚乙烯醇聚合物鏈的自組裝來設計一種分級納米復合材料（簡稱CSH木）。柔性的PVA鏈的選擇和C-S-H的添加減少了體積收縮，促進了規模化的制造。環保的C-S-H納米顆粒也有助于復合材料的高機械剛度和優秀的韌性。

因此，這種多功能保護材料CSH木表現出前所未有的組合，即重量輕（0.018 g cm^-3）、剛度高（軸向204 MPa）、負泊松比（-0.15）、韌性強（6.67 × 105 J m^-3）、熱絕緣性好（徑向0.0204 W m^-1 K-1）和阻燃性好（UL94-V0）等特性。

圖2 CSH木材的韌性和分子動力學模擬

當作為保護罩或電池封裝的保護層應用時，堅韌的CSH木材可以抵抗高沖擊負荷，阻擋熱擴散，以阻止或延緩火勢蔓延，因此大大降低了電池爆炸造成的財產損失或人身傷害的風險，例如，它可以在867.5℃的極高溫度下對燃燒的電池進行絕緣，并將外部溫度保持在36.2℃。總體而言，這項工作為制備具有較大可擴展性的先進熱絕緣材料提供了新的途徑，并顯示了保護電子設備的巨大潛力。

圖3 CSH木材的阻燃性

Thermally insulating and fire-retardant bio-mimic structural composites with a negative Poisson’s ratio for battery protection. Carbon Energy 2023. DOI: 10.1002/cey2.353

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3. 姚亞剛Carbon Energy：“三合一”隔膜：散熱、抑制穿梭效應、緩解枝晶生長！

圖1 應用于鋰硫電池的SA-BC/SA-C隔膜的示意圖

鋰硫電池（LSB）遭遇的安全問題阻礙了其實際應用。南京大學姚亞剛等通過在超定向氮化硼@碳納米管（SA-BC）上交叉編織超定向碳納米管（SA-C），形成復合薄膜（SA-BC/SA-C），構建了一種高導熱的隔膜，以制備具有更好電化學性能的安全LSB。這種獨特的超定向結構形成了一個均勻的熱場，其理論熱導率高達2000 W m^-1 K^-1，因此具有均勻熱場的雙層超定向結構可迅速分散LSB在充電和放電過程中由內阻產生的熱量，從而防止溫度的持續上升。

此外，氮化硼（BN）對多硫化物有很強的親和力，因此抑制了多硫化物的穿梭效應。具體來說，復合結構中有序的離子傳輸通道，加上它對電子的平滑傳導，增強了對高價多硫化物的捕獲，并加速了它們向低價硫化物的催化轉化。另外，由BN納米片包裹的超定向交錯結構還產生了分子刷效應，使離子流均勻化，從而緩解了由局部離子濃度高引起的枝晶生長。通過這種方式，促進了鋰金屬的均勻沉積。此外，BN是不可燃的，這消除了有機隔膜燃燒的風險。

圖2 SA-BC/SA-C隔膜的物理特性

受益于上述優勢，采用SA-BC/SA-C隔膜構建的LSB顯示出相當大的熱管理能力和出色的電化學性能。在高工作溫度（60℃）下，它有很高的倍率性能（5C時為541.5 mAh g^-1）和出色的循環穩定性（在2C下的300次循環中每循環容量衰減率低至0.026%）。

此外，即使在高硫負載（3 mg cm^-2）的情況下，基于SA-BC/SA-C隔膜的LSB也能提供較高的放電容量（在0.3 C下經過100次循環后具有588.6 mAh g^-1）。這種”三合一”的多功能隔膜設計策略構成了克服LSB安全問題的新途徑。

圖3 LSB的電化學性能

“Three-in-one” strategy: Heat regulation and conversion enhancement of a multifunctional separator for safer lithium–sulfur batteries. Carbon Energy 2023. DOI: 10.1002/cey2.352

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4. 王浩/萬厚釗AFM：疏鋅電解液助力鋅金屬負極4000h穩定循環！

鋅金屬電池在大規模存儲中顯示出巨大的應用價值，但仍受到水系電解質腐蝕和界面水分解反應的阻礙。

圖1 電解液設計

湖北大學王浩、萬厚釗、南洋理工大學張寶等提出了一種含有丁二腈（SN）添加劑的疏鋅電解液，SN電解液對鋅的親和力較低，但對固態相（SEI）的親和力較強。本質上的疏鋅電解液可以降低鋅金屬對電解液的親和力，防止界面水引起的析氫反應和腐蝕的發生。

因此，SN電解液不僅減少了鋅金屬的腐蝕，還改變了氫氧化鋅硫酸鹽（ZHS）的生長趨勢，獲得了由ZHS水平堆積形成的平坦、高Zn²⁺通量的SEI（H-SEI）。與常見的垂直生長的ZHS形成的SEI（V-SEI）相比，H-SEI可以防止鋅的進一步腐蝕并抑制枝晶的生長。

圖2 半電池性能

與其他成膜添加劑策略不同，SN沒有引入其他SEI成分，而是改變了ZHS的積累模式。結果，對稱電池能夠實現超過4000小時的無枝晶循環（累積容量為20000 mAh cm^-2），并且在放電深度（DOD）為86.1%的情況下，仍然可以穩定地進行325 h沉積/剝離。

此外，采用有限鋅的軟包電池提供了最大的能量密度為57.0 Wh kg^-1（基于正極材料和負極材料的質量負載）。這樣一個簡單的添加劑策略為鋅化學在溫和電解液環境下的實際應用提供了理論參考。

圖3 全電池性能

Zincophobic Electrolyte Achieves Highly Reversible Zinc-Ion Batteries. Advanced Functional Materials 2023. DOI: 10.1002/adfm.202300795

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5. 湖南大學EnSM：”多合一”凝膠劑固定高濃電解液實現高性能鋰金屬電池

通過液態電解液的凝膠化獲得的準固態電解質在高安全性和高能量密度的鋰金屬電池（LMB）中的應用前景廣闊。然而，通過合理設計凝膠劑和液態電解液，有效地開發固體-電解質界面（SEI）和抑制鋁的腐蝕，對于凝膠電解質來說仍然具有挑戰性。

圖1 電解質設計

湖南大學張世國、張妍等通過將氮化硼（BN）纖維與濃縮的砜（SL）電解液混合，獲得了不燃、電化學穩定的準固態電解質。BN的引入促進了Li⁺與SL的O原子的解離，這產生了更多的”自由”Li⁺，并為Li⁺的傳輸提供了有利的途徑。因此，與液態SL電解質相比，BN-凝膠表現出幾乎相當的離子傳導性和更高的Li⁺轉移數和Li⁺傳導性。

此外，BN的存在導致更多的氟化物在鋁箔上形成，包括AlF₃和LiF，可以有效地鈍化集流體以防止鋁腐蝕。BN還通過改善SL溶劑化結構的LUMO能級，促使在鋰負極上形成了具有更多LiF的陰離子衍生SEI。同時，BN通過產生無機鹽Li_xBO_y，參與了SEI的形成。這種協同效應有助于原位形成的強大SEI，可防止鋰枝晶的形成，降低界面阻力，并促進Li⁺的傳輸。

圖2 原位可視化及對稱電池性能

因此，Li||BN-gel||Li對稱電池在1000小時內表現出穩定的鋰剝離/沉積行為，并具有小的極化。此外，基于LFP和高壓NCM正極的紐扣電池表現出高容量和庫侖效率、長期循環穩定性以及室溫下良好的倍率性能。

例如，Li||BN-gel||NCM電池在0.2C下經過300次循環后表現出153.0 mAh g^-1的高容量，平均庫侖效率約為96%。BN-gel在高溫下的高模量使其在90℃以下仍能發揮良好的功能。Li||BN-gel||LFP電池在0.2C下前五次循環中表現出162.0 mAh g^-1的高初始容量，并在1C下循環100次后保持75.00 mAh g^-1的穩定容量。總體而言，這項工作為設計鋰離子電池的多功能和高性能凝膠電解質提供了一種新的方法。

圖3 全電池性能

Boron nitride as an “all-in-one” gelator to immobilize concentrated sulfone electrolyte towards high performance lithium metal batteries. Energy Storage Materials 2023. DOI: 10.1016/j.ensm.2023.03.031

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6. ACS Energy Lett.：100%純硅片負極助力全固態電池室溫下的高面容量

硅是一種有吸引力的全固態電池（ASSB）負極材料，因為它具有高能量密度，而且比鋰金屬更安全。傳統的硅粉復合電極有明顯的內部空隙和有害的界面，抑制了鋰的傳輸和壽命。

圖1 ASSB用硅片的電池性能

首爾大學Jongwoo Lim等證明了經過表面處理的薄硅片可以作為無添加劑、無電解質和無空隙的單片電極，它可以在室溫（25℃～）下實現高面積容量。研究顯示，單片硅結構允許鋰在厚電極上快速傳輸，致密的固體電解質界面可以有效地抑制在液態電解液中發現的裂縫和粉化現象，增強了界面穩定性和循環保持力。實驗結果清楚地表明，在液態電解液電池中被忽視的硅片，作為下一代ASSB的電極具有巨大的潛力。

圖2 表面處理的＜110＞晶片

此外，結合現代微細加工技術，其表面、厚度、結晶度和缺陷等都可以被精密地設計，以提供卓越的能量密度、倍率能力和循環壽命。具體來說，硅片可以被精確和系統地微細化和蝕刻，以優化單片硅幾何形狀的單位尺寸和它們之間的距離。這樣的幾何形狀可以最大限度地減少膨脹時的擴張，并允許固態電解質有效地滲入，以實現快速的鋰通道和長循環壽命。結果，無空隙單片純硅電極可以在室溫下的半電池中實現高達10 mAh cm^-2的面積容量，并在60℃下的全電池中實現8.8 mAh cm^-2。

圖3 開槽的<110>晶片的性能

Monolithic 100% Silicon Wafer Anode for All-Solid-State Batteries Achieving High Areal Capacity at Room Temperature. ACS Energy Letters 2023. DOI: 10.1021/acsenergylett.3c00496

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7. 陶新永/張傳芳/杜麗EnSM：導電支架引導SEI形成賦予30C 900次循環！

鋰(Li)金屬負極的實際應用由于在剝離/沉積過程中鋰枝晶的固有不可控增長而受到阻礙。探討均勻Li沉積和穩健固體電解質界面（SEI）的調控具有重要意義。

圖1 材料制備及表征

浙江工業大學陶新永、Zhijin Ju、四川大學張傳芳、華南理工大學杜麗等利用二維碳化鈦（Ti₃CNT_x）和三維還原氧化石墨烯（rGO）為基礎的導電支架結構的獨特表面化學特性，來調節鋰的成核和SEI。Ti₃CNT_x獨特的表面化學性質以及三維導電納米多孔骨架使得鋰離子能夠均勻分布，從而導致通過低溫TEM觀察到的均勻鋰成核和SEI形成。此外，完整的SEI層具有有序的層狀Li₂O外殼和內部集中的LiF納米顆粒，這也有助于在反復循環時實現無枝晶的鋰沉積。

圖2 半電池的電化學性能

因此，基于3D Ti₃CNT_x-rGO-Li電極的電池30C下的900次循環后表現出較高的容量保持率，達到77.7%。此外，低電荷轉移電阻和機械堅固的SEI層保證了3D Ti₃CNT_x-rGO-Li在5 mA cm^-2和0.5 mAh cm^-2的條件下具有超過3600小時的卓越循環壽命。這一策略為合理設計超高速率響應和超穩定的鋰金屬負極提供了啟示，并有望加速下一代高安全性鋰金屬電池的發展。

圖3 NCM622基全電池的電化學性能

Ti3CNTx MXene/rGO Scaffolds Directing the Formation of a Robust, Layered SEI toward High-rate and Long-cycle Lithium Metal Batteries. Energy Storage Materials 2023. DOI: 10.1016/j.ensm.2023.03.030

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8. 吳明鉑/胡涵AFM：3D打印碳助力MnO₂實現創紀錄的高比容量！

為促進鋅離子電池（ZIBs）的實際應用，協調二氧化錳電極的高質量負載和重量性能是至關重要的。

圖1 材料表征

中國石油大學(華東)吳明鉑、胡涵等展示了3D打印碳微晶格（3DP CMs）的合理調節，它可使超厚的二氧化錳電極具有良好的重量比容量。由石墨烯和碳納米管（CNTs）組成的3DP CMs是通過直接油墨3D打印和隨后的高溫退火制備的。三維打印實現了3DP CMs的周期性結構，而熱退火則有助于實現高導電性和缺陷表面。由于這些結構上的優點，均勻的電場分布和方便的二氧化錳沉積在3DP CMs上是允許的。

圖2 3DP-MnO₂電極在ZIBs中的電化學性能

因此，即使在28.4mg cm^-2的高質量負載和高離子傳輸動力學條件下，在3DP CMs上負載二氧化錳的最佳電極仍可以達到282.8 mAh g^-1的創紀錄的高比容量，這就調和了質量負載和重量比容量。因此，基于3DP CMs負載二氧化錳的水系ZIBs提供了優于大多數先前報道的出色性能。總體而言，這項研究揭示了活性材料和集流體之間相互作用的重要作用，為設計高性能儲能裝置提供了一種替代策略。

圖3 3DP-MnO₂的儲能機理及結構演變

Reconciling Mass Loading and Gravimetric Performance of MnO2 Cathodes by 3D-Printed Carbon Structures for Zinc-Ion Batteries. Advanced Functional Materials 2023. DOI: 10.1002/adfm.202215076