水系鋅電池具有低成本、長壽命、高安全的特點，是下一代大規(guī)模儲能電池技術(shù)最有力的競爭者。然而鋅電池面臨的不可控副反應(yīng)（鋅枝晶生長、析氫）以及高N/P和低面容量降低電池能量密度等一系列的問題，阻礙了其商業(yè)化發(fā)展進程。

在此，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳維教授團隊設(shè)計了一種穩(wěn)定的二維銻/銻鋅合金異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面（Sb/Sb₂Zn₃-HI）來調(diào)節(jié)鋅的均勻成核和生長。由于Sb/Sb₂Zn₃-HI對Zn原子具有較強的吸附作用和均勻的電鍍電場，有助于降低Zn成核勢壘，從而調(diào)節(jié)Zn的均相成核和生長。Sb/Sb₂Zn₃-HI包覆的Cu箔（Sb/Sb₂Zn₃HI@Cu）可以實現(xiàn)200 mAh cm^?2的超高面容量下無鋅枝晶生成且具有低過電位和高庫倫效率（CE）。

圖1. Zn|Zn對稱電池及Zn|Sb@Cu非對稱半電池的電化學(xué)性能

由于無鋅負極設(shè)計，Zn-Br₂全電池具有高的能量密度以及出色的循環(huán)穩(wěn)定性。值得一提是，500 mAh容量的放大Zn-Br₂電池可以穩(wěn)定循環(huán)400次以上，平均CE為98.5%。此外，能量為9 Wh (6 V, 1.5 Ah)的Zn-Br₂電池模塊可與光伏板集成，以展示實際的可再生能源存儲能力。因此，由金屬/金屬合金異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面設(shè)計的無負極電池將為其未來的儲能應(yīng)用帶來一場革命。

圖2. 大容量Zn-Br₂電池在實際儲能中的應(yīng)用

Constructing robust heterostructured interface for anode-free zinc batteries with ultrahigh capacities, Nature Communications 2023 DOI：10.1038/s41467-022-35630-6

2. ACS Energy Letters：超潤濕性高壓LiCoO₂用于低溫鋰離子電池

兼具低溫（low-T）適應(yīng)性和高能量密度的鋰離子電池需要先進的正極。然而，由于正極-電解質(zhì)界面兼容性差導(dǎo)致最先進的高壓（high-V）正極在低溫下的性能仍差強人意。

在此，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所黃富強研究員等人開發(fā)了一種淺表面摻Zr和穿插Li⁺導(dǎo)電的Li₂Zr(PO₄)₂（LZPO）的球狀LiCoO₂（LZPO-LCO）。本文強調(diào)了淺表面的Zr摻雜物可以增強晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，促進Li⁺擴散并抑制晶格氧的氧化；而表面穿插的LZPO誘導(dǎo)LZPO-LCO與電解質(zhì)的超潤濕性，有助于形成具有強穩(wěn)定性和高Li⁺電導(dǎo)率的高質(zhì)量正極-電解質(zhì)相（CEI）。

圖1. LZPO-LCO結(jié)構(gòu)示意圖和潤濕性

研究表明，在不改變電解質(zhì)的情況下，即使在-25 ℃的低溫度和4.6 V的高電壓下，LZPO-LCO在0.2 C時顯示出200 mAh g^-1和5 C時顯示出137 mAh g^-1的超高容量，在100次循環(huán)后保持94%的容量，平均庫倫效率為99.9%。此外，制造的全電池提供了340 Wh kg^-1的高能量密度，并在-25 ℃下循環(huán)200次后保持92%的容量。簡而言之，這項工作展示了一種新的表面微結(jié)構(gòu)架構(gòu)，超越了元素摻雜和涂層，提高了高電壓和低溫度下正極的可行性。

圖2. LZPO-LCO陰極和全電池的low-T電化學(xué)性能

Superwettable High-Voltage LiCoO₂ for Low-Temperature Lithium Ion Batteries，ACS Energy Letters 2023 DOI：10.1021/acsenergylett.2c02434

3. Advanced Function Materials：低溫透射電鏡揭示穩(wěn)定的聚合物基固態(tài)鋰金屬電池及其界面特征

固態(tài)鋰金屬電池（SSLMBs）由于其固有的安全性和高能量密度，是下一代儲能系統(tǒng)中有前途的候選者。然而，它們?nèi)匀淮嬖诮缑娣€(wěn)定性差的問題，這將導(dǎo)致高的界面電阻和短的循環(huán)壽命。

在此，南方科技大學(xué)谷猛教授、深圳大學(xué)楊旭明教授等人聯(lián)合開發(fā)了一種基于聚（偏氟乙烯-六氟丙烯）（PVDF-HFP）的新型聚合物電解質(zhì)（PPE），并研究了Li和PPE之間的原子分辨率界面結(jié)構(gòu)。通過對含有各種鹽類和添加劑的PPE進行比較研究，選擇了含有LiBF₄和PC增塑劑的PPE（PPE-BF）。

圖1. Li||PPE-BF||Li、Li||PPE-BF||LFP的電化學(xué)性能

研究發(fā)現(xiàn)，含有PPE-BF的對稱鋰電池的CE值高達91.3%，并且可以在0.2 mA cm^-2的條件下穩(wěn)定地循環(huán)1000小時以上，平均容量為0.2 mAh cm^-2。LFP電池具有出色的循環(huán)和速率性能：在0.3 C下循環(huán)100次后，容量保持率達到78.7%，在5 C下的可逆容量高達97.5 mAh g^-1。此外，使用低溫透射電子顯微鏡（Cryo-TEM）研究了界面特征，發(fā)現(xiàn)Li||PPE-TFSI SEI是無定形的，具有均勻分布的Li氧化物和碳酸鹽，而Li||PPE-BF SEI則是雙層結(jié)構(gòu)——無定形的外層加上以Li₂O為主的結(jié)晶內(nèi)層，這可以使Li⁺有效轉(zhuǎn)移，有助于防止Li和PPE之間發(fā)生連續(xù)的副反應(yīng)。

總得來說，這項工作不僅強調(diào)了改善界面兼容性對聚合物基固態(tài)電池的重要性，而且還證明了通過低溫電鏡技術(shù)獲得金屬鋰和聚合物基電解質(zhì)之間詳細界面結(jié)構(gòu)的可行性。往后Cryo-TEM將被更多地用于揭示固態(tài)電池的界面結(jié)構(gòu)。

圖2. Li||PPE-TFSI界面表征

A Stable Polymer-based Solid-State Lithium Metal Battery and its Interfacial Characteristics Revealed by Cryogenic Transmission Electron Microscopy， Advanced Functional Materials 2023 DOI: 10.1002/adfm.202212847

4. Nature energy：導(dǎo)電聚合物中形成的分層有序結(jié)構(gòu)提高鋰離子電池的性能

導(dǎo)電聚合物在能源轉(zhuǎn)換和存儲設(shè)備中的應(yīng)用越來越多。在導(dǎo)電聚合物的傳統(tǒng)設(shè)計中，有機功能是通過自下而上的合成方法引入的，以通過對單個聚合物的改性來增強特定的性能。不幸的是，官能團的加入導(dǎo)致了相互沖突的效果，限制了它們的規(guī)模化合成和廣泛的應(yīng)用。

在此，美國勞倫斯伯克利國家實驗室Gao Liu, Andrew M. Minor等人提出在導(dǎo)電聚合物中利用層次有序結(jié)構(gòu)(HOS)的策略。這種策略可降低儲能應(yīng)用中主要結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性且適用于范圍廣泛的導(dǎo)電聚合物材料，以增強其電荷傳輸性能。

圖1. 通過HOS增強的運輸特性

因此，在HOS導(dǎo)電聚合物中的離子傳輸不依賴于基體的分段運動或離子溶解傳輸。鋰離子傳輸與導(dǎo)電聚合物中的負極子（電子）擴散相耦合，使其成為一類新的快速離子傳輸?shù)能洸牧稀４送猓琀OS聚合物保持了其他所需的聚合物特性，而前體聚合物是可溶劑加工的。

研究進一步證明了具有HOS的導(dǎo)電聚合物能夠使具有高負載的微米級氧化硅負極的全電池具有優(yōu)異的循環(huán)性能，在300次循環(huán)中提供超過3.0 mAh cm^-2的面積容量，平均庫侖效率大于99.95%。此外，具有HOS的聚合物可以應(yīng)用于電化學(xué)系統(tǒng)、生物傳感和顯示等廣泛的技術(shù)，提供更強的穩(wěn)定性和傳輸功效，并延長設(shè)備壽命。

Formation of hierarchically ordered structures in conductive polymers to enhance the performances of lithium-ion batteries，Nature Energy 2023 DOI：10.1038/s41560-022-01176-6

5. Energy & Environmental Science:界面氧化還原介質(zhì)用于高性能全固態(tài)Li2S電池

基于硫化鋰正極的全固態(tài)Li-S電池因其既可以提供超過鋰離子電池的高理論能量密度又可以設(shè)計“無負極”電池，在下一代儲能候選者中引起了極大的關(guān)注。然而，固態(tài)Li₂S正極動力學(xué)受到有限的離子和電子傳輸以及高活化能壘的阻礙。

鑒于此，滑鐵盧大學(xué)Linda F. Nazar團隊開發(fā)了一種新型的正極結(jié)構(gòu)設(shè)計，其中基于Li₂S/LiVS₂核殼（Li2S芯–LiVS2殼）納米結(jié)構(gòu)的主體在氧化過程中既能夠充當(dāng)界面氧化還原介質(zhì)又能夠通過電荷載體（Li+和e-）傳輸通道滲透正極。具體而言，在初始充電時，LiVS2殼層首先經(jīng)歷到VS2的脫鋰作用，因為其具有固有的離子/電子導(dǎo)電性質(zhì)。金屬VS2作為Li2S的固體-固體界面介質(zhì)，通過化學(xué)氧化后者在VS2/Li2S界面上形成硫并重新形成LiVS2。這種介質(zhì)的關(guān)鍵特性是其氧化還原電位應(yīng)接近并略高于活性材料（Li2S）的氧化還原電位。

圖1. 全固態(tài)Li-S電池的電化學(xué)性能

通過采用硫銀鍺礦固態(tài)電解質(zhì)，固態(tài)Li-S電池具有突出性能。該固態(tài)Li-S電池在室溫下表現(xiàn)出高達3 mA·cm^-2的良好倍率性能，在1 mA·cm^-2的中等電流密度下，循環(huán)1000次后保持了近80%的容量。同時與常規(guī)全固態(tài)正極中的傳統(tǒng)三相邊界相比，由核-殼正極結(jié)構(gòu)形成的兩相邊界在活性材料周圍提供了連接良好的電子和離子路徑，從而大大改善了混合電子-離子電導(dǎo)率。因此，在室溫下，實際電流密度和活性物質(zhì)載量分別為1 mA?cm^-2和4 mg?cm^-2。在60°C下，可在10 mg?cm^-2的載量下實現(xiàn)5.3 mAh?cm^-2的高面容量。這些正極設(shè)計方法將為未來全固態(tài)Li2S電池的實際改進提供了新的思路。

圖2. 高載量下核殼型LVS正極的電化學(xué)性能

High-Performance All-Solid-State Li2S Batteries Using an Interfacial Redox Mediator, Energy & Environmental Science 2023 DOI: 10.1039/D2EE03297J

6. ACS Energy Letters：通過納米級相配合物阻擋晶格O遷移穩(wěn)定Li-Mn-O正極

在所有鋰離子電池插層正極中，由于陽離子和陰離子氧化還原化學(xué)的共同作用，Li-Mn-O層狀氧化物以最低的成本提供最高的初始能量密度。然而，由于高電位（>4.5 V）下連續(xù)晶格O損失導(dǎo)致較差的循環(huán)能，阻礙了其實際應(yīng)用。

基于此，北京大學(xué)潘鋒、張明建、李舜寧，國家加速器同步光源II Ge Mingyuany以及南方科技大學(xué)謝琳等人采用離子交換法成功制備了一種新型的層狀尖晶石雙相配合物L(fēng)i-Mn-O納米雜化正極，該正極具有層狀納米域和尖晶石納米結(jié)構(gòu)域的均勻和連貫集成。

圖1. Li-Mn-O正極的電化學(xué)性能

研究表明，該正極具有納米尺度的層狀尖晶石復(fù)合結(jié)構(gòu)。引入的尖晶石納米結(jié)構(gòu)域抑制了層狀納米結(jié)構(gòu)域中氧空位在高電位下的遷移率，使LS-LMO陰極能夠以>440 mA h g^-1的超高初始容量實現(xiàn)出色的長循環(huán)穩(wěn)定性。簡而言之，通過納米級的層狀尖晶石相配合物，通過層狀尖晶石相配合物，LS-LMO在納米尺度上表現(xiàn)出比基準層狀Li₂MnO₃正極更好的循環(huán)性能和更高的倍率性能，表明這種納米雜化結(jié)構(gòu)在增強電化學(xué)方面取得了巨大成功，同時為通過納米相復(fù)合策略開發(fā)高性能正極開辟了一條新途徑。

圖2. 層狀/尖晶石相絡(luò)合物的可逆O氧化還原

Stabilizing a Li-Mn-O Cathode by Blocking Lattice o Migration through a Nanoscale Phase Complex， ACS Energy Letters 2023 DOI：10.1021/acsenergylett.2c02507

7. Energy & Environmental Science：陰離子表面活性劑誘導(dǎo)水平生長的無枝晶鋅負極用于高穩(wěn)定性水系鋅離子軟包電池

水系鋅離子電池因其固有的安全性和較高的理論容量而備受關(guān)注，但由于嚴重的副反應(yīng)和鋅枝晶的生長，電池的壽命仍然有限。解決這些問題的一種常見策略是使用特定的電解液添加劑來調(diào)節(jié)溶劑化結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)擇優(yōu)的鋅（002）取向。

基于此，中山大學(xué)王成新教授等人引入了一種陰離子表面活性劑3，3‘-二硫代二丙磺酸鈉（SPS）作為一種新型的電解液添加劑，與傳統(tǒng)的表面活性劑不同的是，它對溶劑化結(jié)構(gòu)的影響可以忽略不計。并且，第一性原理計算表明，SPS陰離子傾向于吸附在其他晶面上，而不是（002）面，有效地限制了鋅在（002）晶面上的電沉積。

圖1. SPS添加劑改性Zn沉積機理研究

研究結(jié)果表明，使用面積為3×5 cm²的Zn||Zn對稱軟包電池，成功地實現(xiàn)了超過12000 mAh cm^?2的驚人的高累積容量；表明了該設(shè)計在實際應(yīng)用中的巨大潛力。進一步組裝了由V₂O₅·H₂O正極和鋅負極組成的鋅離子電池，其面積容量高達約2 mAh cm^?2，200次循環(huán)后容量保持率達82.8%，性能優(yōu)于以往報道的大多數(shù)水系鋅離子電池。因此，使用不同的電解質(zhì)添加劑來調(diào)節(jié)優(yōu)選的晶體取向，突出了SPS添加劑在實際應(yīng)用中的巨大潛力。

圖2. Zn||VOH全電池的電化學(xué)性能

Dendrite-Free Zn Anode Enabled by Anionic Surfactant-Induced Horizontal Growth for Highly-Stable Aqueous Zn-Ion Pouch Cells，Energy & Environmental Science 2023 DOI：10.1039/D2EE03528F

8. ACS Energy Letters：一種長循環(huán)、高倍率可充電水系銨離子電池

水系銨離子電池作為一種有效的能源策略受到了廣泛的關(guān)注，但目前尚缺乏合適的負極材料。

在此，哈爾濱工程大學(xué)曹殿學(xué)教授等人開發(fā)了一種具有多層納米片結(jié)構(gòu)的合成高分子材料(PNNI)作為水系銨離子電池（AAIBs）的負極。PNNI含有羰基官能團，可在銨離子水溶液中可逆氧化和還原，在1 M NH₄Ac電解質(zhì)中，在100 mA g^-1的庫侖效率為93.8%。組裝的三電極電池系統(tǒng)在100 mA g^?1時的比容量為147.7 mAh g^?1。

更重要的是，即使在2和5 A g^?1的極高電流密度下，2000次和10000次循環(huán)的容量保留率分別為90.7%和80.2%，表現(xiàn)出較好的循環(huán)穩(wěn)定性。組裝后的PNNI||Ni-APW全電池在1 A g^?1循環(huán)10000次后，容量保持率穩(wěn)定，接近100%，并且該合成聚合物電極材料在銨離子電池放電/充電循環(huán)過程中保持其特殊的框架結(jié)構(gòu)。

圖1. PNNI負極組裝電池的電化學(xué)性能

圖2. PNNI||Ni-APW的電化學(xué)性能

A Long Cycle Stability and High Rate Performance Organic Anode for Rechargeable Aqueous Ammonium-Ion Battery，ACS Energy Letters 2023 DOI :10.1021/acsenergylett.2c01962