在此，韓國科學技術院（KAIST）Seokwoo Jeon, Il-Doo Kim以及美國伊利諾伊大學厄巴納香檳分校（UIUC）Paul V. Braun等人報道了一種用于實現3D雙連續納米網絡（3D PIN/Ni）的光刻制造策略，該技術重復性好、可擴展性強。該網絡由周期性多孔Ni支撐的氧化還原活性聚酰亞胺層（孔半徑<300 nm）組成，為電子和離子傳輸提供高導電通路。通過結構工程，Ni具有優異的硬度、電化學穩定性和高導電性（1.43×107 S m-1），3D Ni提供了用作有機電極材料載體所需的各種性能的必要組合。采用聚酰亞胺基多羰基聚合物納米粒子（PIN）作為有機電活性材料，其電解質溶解度低，理論容量高（1460 mAh g-1）。
通過這種3D結構負極中幾乎所有不飽和C=C鍵的超鋰化，實現了1260 mAh g-1的高可逆容量，在10C倍率下250次循環后容量保持率為82.8%。這項研究首次在高達400C倍率下實現了有機負極的鋰離子存儲，容量為664 mAh g-1/2810 mAh cm-3），超過了快充混合動力電動汽車的目標線（半電池級別容量為1000 Wh kg-1/1500 Wh L-1），為高性能有機電池開辟了新的工程機會。
圖1. 鋰化/脫鋰過程中CV曲線和Nyquist圖的電化學變化
圖2. 3D PIN/Ni與商業有機負極的性能比較
3D periodic polyimide nano-networks for ultrahigh-rate and sustainable energy storage, Energy & Environmental Science 2021. DOI: 10.1039/D1EE01739J
鋰金屬的高比容量是滿足當前可充電電池需求的理想選擇，但鋰枝晶和不可逆的體積膨脹是應用的主要障礙。3D鋰主體材料可以通過大表面積降低電流密度并在其孔隙中容納鋰金屬來緩解這些問題。然而，由于鋰離子通過曲折孔擴散緩慢導致鋰枝晶堵塞，從而導致枝晶生長，因此持續觀察到鋰枝晶。在此，美國德克薩斯農工大學Choongho Yu博士等人將MOF層涂覆在化學處理的碳納米管支架（C-CNT）整個外表面（LM-CNT）或支架中的單個碳納米管（IM-CNT）上，通過在動態現場原位（operando）條件下直接可視化電池和在掃描電鏡下對碳納米管電極橫截面的非原位觀察研究其鍍鋰行為。CNT支架外側的MOF層增加了多孔支架中鋰的嵌入（8 mA cm-2時為24 mAh cm-2）和鋰電鍍/剝離壽命（保持20 mAh cm-2循環1700 h以上）。MOF具有足夠大的孔以供鋰離子滲透，其電絕緣特性會產生電容效應，將鋰離子分布在MOF層的表面，以避免在鍍鋰過程中出現枝晶生長和堵塞。因此，LM-CNT負極具有出色的體積和重量容量（≈940 mAh cm-3和≈980 mAh g-1）以及出色的累積容量（≈4.9 Ah cm-2）。這種有前途的方法可以在存儲鋰時無枝晶，以提供當前可充電電池所需的高能量密度。圖1. 基于LM-CNT、C-CNT、IM-CNT電極電池的operando觀察圖2. LM-CNT電極的橫截面SEM圖像及電化學性能Large Cumulative Capacity Enabled by Regulating Lithium Plating with Metal-Organic Framework Layers on Porous Carbon Nanotube Scaffolds. Advanced Functional Materials 2021. DOI: 10.1002/adfm.202104899
5. 浙大姜銀珠AFM: 氨基酸誘導界面電荷工程實現高度可逆的鋅負極
盡管水系鋅離子電池（AZIBs）具有低成本和高安全性等令人印象深刻的優點，但長期以來，枝晶生長和鋅金屬負極的副反應等問題一直沒有得到解決。在此，浙江大學姜銀珠教授等人報道展示了一種由電解液中氨基酸添加劑誘導的鋅-電解液界面電荷工程的新策略，用于高度可逆的鍍鋅/剝離。通過靜電優先吸附鋅金屬負極表面帶正電荷的精氨酸分子 (Arg) ，建立自適應鋅-電解液界面，抑制水的吸附/析氫，引導鋅的均勻沉積。因此，在4 mAh cm-2的面容量，5 mA cm-2的大電流密度下，Zn對稱電池可實現2200h的超長穩定循環。即使在10 mA cm-2的超高電流密度下，也能實現長達900 h的穩定循環，表明鋅-電解液界面具有可靠的自適應特性。這項工作為實現高度可逆的塊狀鋅金屬負極提供了界面電荷工程的新視角，可促進其在可充電AZIBs中的實際應用。圖1. 三種氨基酸的DFT計算模型以及有無添加劑的Zn對稱電池的性能圖2. Zn|ZnSO4 +Arg|MnO2全電池的電化學性能Amino Acid-Induced Interface Charge Engineering Enables Highly Reversible Zn Anode, Advanced Functional Materials 2021. DOI: 10.1002/adfm.202103514
有機分子由于其可調節的理論容量和環境友好性，是用于綠色和可持續可充電電化學儲能的有前途的電極材料。然而，有機電極材料在電解液中的高溶解度和固有的低電子電導率阻礙了其商業化應用。在此，湘潭大學高平教授等人報道了將一系列雙極乙炔基卟啉配合物（MTEPP, M=Cu, Zn, Mg, 2H）作為高穩定性的新型雙離子存儲通用正極材料。受益于其雙極性能力，陽離子（Li+, Na+, K+）和陰離子（PF6–和TFSI–）均可用作電荷載流子以提供快速動力學和出色的電荷存儲能力。基于卟啉電極的高度共軛結構和增強的穩定性，當CuTEPP用作有機鋰電池（OLIBs）的正極時，獲得219 mAh g-1的高可逆容量。ZnTEPP正極在1.0 A g-1時1000次循環后的容量保持率為83.6%，可逆容量為128 mAh g-1。在鈉基和鉀基電池中也觀察到了良好的循環穩定性和高度可逆的能力。通過不同的光譜和顯微技術以及DFT模擬研究表明，電荷存儲主要受贗電容貢獻控制，從而實現超快反應動力學。這項研究為開發用于電化學儲能的超穩定和通用有機正極提供了一種新方法。圖1. M-TEPP的分子結構及充電過程示意圖圖2. M-TEPP正極材料的電化學性能A Bipolar Organic Molecule Toward a Universal Pseudocapacitive Cathode for Stable Dual Ion Charge Storage, Energy Storage Materials 2021. DOI: 10.1016/j.ensm.2021.08.003
