1. Nature Communications：電化學誘導硅酸釤鈉固體電解質中結晶-非晶化轉變實現長效鈉金屬電池

開發具有高離子導電性、良好界面相容性和與電極共形接觸的固體電解質（SE）材料對于固態鈉金屬電池（SSBs）至關重要。

在此，吉林大學杜菲和北京高壓科學研究中心的唐明學、劍橋大學陸子恒等人通過兩步固相反應成功合成了一種新型三方棱柱狀晶體Na₅SmSi₄O₁₂電解質，其具有高室溫離子電導率2.9?×?10^?3?S?cm^?1和0.15?eV的低活化能。具有Na₅SmSi₄O₁₂的全固態對稱電池在0.15?mA ?h?cm^?2下具有超過800 h的優異循環壽命?，和1.4 mA ?h?cm^?2的高臨界電流密度?。

這種優異的電化學性能歸因于鈉的重復沉積和剝離過程中，電化學誘導的原位結晶到非晶（CTA）轉變從界面傳播到本體，這導致更快的離子傳輸和優異的界面性能。

圖1. 固態電池的電化學性能

具體而言，在晶格微觀應變的驅動下，Na₅SmSi₄O₁₂在Na|Na₅SmSi₄O₁₂|Na和Li|Na₅SmSi₄O₁₂|Li對稱電池循環過程中經歷非晶態轉變。一方面，接觸面積的增加大大降低了鈉金屬與電解質之間的界面電阻，促進鈉的均勻沉積。另一方面，非晶態Na₅SmSi₄O₁₂表現出各向同性離子傳輸特性，有效消除了阻擋離子晶體取向。這一特性促進了負極界面上電流的均勻分布和均勻的金屬成核，進一步提高了固態鈉金屬電池的整體性能。

因此，鈉對稱電池在0.15 mA cm^?2@1 h下表現出800 h的穩定循環性能，在 0.05 mA cm^?2@5 h (25 °C) 下表現出500 h的穩定循環性能。此外，組裝的Na|Na₅SmSi4O₁₂|Na₃V₂(PO₄)₃準固態鈉電池展現出優異的電化學性能，進一步證明了Na₅SmSi₄O₁₂電解質的實用性。

圖2. 非晶塊體材料和界面的優越性

Electrochemically induced crystalline-to-amorphization transformation in sodium samarium silicate solid electrolyte for long-lasting sodium metal batteries, Nature Communications 2023 DOI: 10.1038/s41467-023-42308-0

2. Advanced Materials：銅基硫化物中Sn與Zn的協同取代實現優異的鈉離子存儲

過渡金屬硫化物已被認為是高能鈉離子電池的候選負極。然而，它們的應用受到低電荷存儲或巨大體積變化以及緩慢反應動力學的嚴重阻礙。

在此，河南大學白瑩、閆冬等人基于銅基硫化物提出了一種有效的協同摻錫-鋅替代策略。首先，通過引入合金基Sn元素，硫化銅的Na離子存儲能力顯著提高。然而，由于高鈉離子吸收，該過程伴隨著結構穩定性的犧牲。隨后，為了保持高的鈉離子存儲容量，同時提高循環和速率能力，進行了Zn取代策略（取部分Sn位點），這可以顯著促進鈉離子的擴散/反應動力學，并減輕晶體框架內的機械應變應力。

Sn的協同摻入和Zn的取代使銅基硫化物具有高比容量（在0.5 A g^-1下為~560mAh g^-1）、超穩定的可循環性（80次循環，容量保持率為~100%）、高達200 A g^-1的優異倍率能力和超快充電特性（在約190 mAh g^-1輸入下每次充電約4s）。

圖1. CS、CTS和ZCTS的循環性能

總之，本工作提出了一種協同摻錫-鋅替代方法，成功地開發出了具有超穩定循環能力、高比容量和顯著快速充電性能的優異銅基硫化物。研究表明通過摻錫在銅基硫化物中引入額外的Na-Sn合金化反應，大大提高了其鈉離子存儲能力。

鋅取代后銅基硫化物的電導率提高，電化學動力學增強，機械應變應力減輕（取部分Sn位）,有助于ZCTS在不犧牲其高比容量的情況下具有優異的循環和倍率性能。此外，摻錫-鋅取代是高度可控的，并且基于低成本的資源，這有助于其在實際應用中的高潛力。

圖2. .基于ZCTS負極和Na₃V₂ (PO₄) ₃ /C正極的全電池原理圖

Synergetic Sn Incorporation-Zn Substitution in Copper-Based Sulfides Enabling Superior Na-Ion Storage, Advanced Materials 2023 DOI: 10.1002/adma.202305957

3. Advanced Functional Materials: 非碳主導的催化劑架構實現雙高能量密度鋰硫電池

由于碳的低振實密度/低催化活性與不含碳的金屬基化合物之間容易團聚使得常用的“碳催化劑”結構作為硫主體難以同時實現鋰硫（Li–S）電池的高質量和體積能量密度。

在此，中國科學院金屬研究所李峰研究員，孫振華研究員等人報道了一種使用大孔磷化鎳/鈷(NiCoP)作為鋰-硫電池硫宿主的非碳主導催化結構。其中，可容納大量硫的大孔骨架通過加速e^– 輸運、Li⁺擴散以及Ni₂P/CoP異質結構優越的吸附和催化活性，加速了電化學反應動力學。

此外，高振實密度（0.45 g cm^?3）和堅硬的機械特性有助于NiCoP@S電極在壓制和滾壓過程后具有優異的結構和物理化學穩定性。這些特性使得Li-S電池在高硫負載量（10.2 mg cm^?2）和貧電解質（電解質/硫為2 μL mg^?1）的條件下表現出優異的電化學性能。

圖1. NiCoP催化骨架對LiPS吸附轉化的影響

總之，該工作報告了一種硫宿主材料—大孔3D NiCoP框架。該材料使Li-S電池具有雙倍高能量密度。容納豐富硫的大孔骨架可以通過快速電子傳輸、鋰離子擴散以及固有鎳的優異吸附和催化活性來加速電化學反應動力學。這些特性使Li-S電池能夠在高硫負荷和稀少電解質條件下實現出色的電化學性能。

此外，高振實密度和硬質機械特性有助于NiCoP@S電極在壓制和軋制工藝后具有出色的結構和物理化學穩定性。因此，組裝好的軟包電池可以同時提供345.2 Wh kg^?1的質量能量密度和令人印象深刻的952.7 Wh L^?1的體積能量密度。

圖2. 全電池性能

Non-Carbon-Dominated Catalyst Architecture Enables Double-High-Energy-Density Lithium–Sulfur Batteries, Advanced Functional Materials 2023 DOI: 10.1002/adfm.202308210

4. Advanced Materials：白磷聚合及紅磷鉀化以實現高性能鉀電池

在高溫和/或高壓下制備P/C（磷/碳）復合材料不可避免地伴隨著白磷的形成，白磷的自燃可能引發爆炸事故，從而構成安全隱患。此外，在鉀化過程中，K-P化合物的形成能較高，導致紅磷的利用率低，反應動力學差，性能受限。要解決上述兩個問題，需要加速白磷聚合和P-K合金化反應的動力學。

在此，中國科技大學余彥教授，廈門大學張橋保教授等人通過對白磷聚合中的活化能的分析，發現I₂的最高占據分子軌道（HOMO）能量（-7.40eV）接近P4（-7.25eV），并且I₂分子的最低未占據分子軌道能量（LUMO）（-4.20eV）低于其他常見的非金屬分子（N₂、S₈、Se₈、F₂、Cl₂、Br₂）。因此，通過I₂的引入可以促進P-P鍵的斷裂，并加速白磷分子的聚合。

此外，團隊通過第一性原理分子動力學（AIMD）模擬表明，I₂可以增強P-K合金化的動力學，所獲得的具有I2的紅磷/C復合材料具有優異的循環穩定性（在1A g^-1下1200次循環后為358mAh g^-1）。

圖1. 制備示意圖

總之，該工作通過直接分析斷裂P-P鍵所需的活化能，對白磷聚合過程進行了理論分析，發現白磷分子向紅磷的聚合受到6.38eV的高能壘的阻礙。分子軌道能量計算結果表明，I₂（-7.40eV）的HOMO能量與P₄（-7.25eV）相當，并且I₂分子在常見的非金屬單質分子（N₂、S₈、Se₈、F₂、Cl₂、Br₂和I₂）中具有最低的LUMO能量（-4.20eV）。因此，I₂被用作催化劑以促進P-P鍵斷裂并引發白磷分子的聚合。

此外，AIMD模擬表明，I₂的引入也可以降低P-K合金化的能壘，增強其反應動力學。實驗結果證明I-P@BPC表現出優異的循環穩定性（在1 A g^-1下1200次循環后為358 mAh g^-1）和前所未有的倍率性能（在10 A g^-1下為200 mAh g^-1）。該工作提出了一種催化劑篩選策略，以指導高性能P/C復合負極材料的安全制備。

圖2. 全電池性能

Simultaneous Catalytic Acceleration of White Phosphorus Polymerization And Red Phosphorus Potassiation for High-Performance Potassium-Ion Batteries, Advanced Materials 2023 DOI: 10.1002/adma.202306512

5. Nature Materials：聚合物序列實現高性能固態鋰電池

傳統的聚合物電解質在室溫下的離子導電性遠低于液體和陶瓷電解質，限制了它們在電池中的實際應用。

在此，復旦大學陳茂教授，昆山杜克大學林欣蓉副教授和馬薩諸塞理工學院Yang Shao-Horn教授等人通過在交替的聚合物序列中精確放置設計的重復單元，實現了鋰離子的均勻分布、非聚集的鋰離子-陰離子溶劑化以及通過序列協助的點對點離子遷移，從而將鋰離子導電性調整高達三個數量級。

圖1. 不同聚合物序列中Li⁺解離的分析

總之，該工作發現序列控制對鋰離子的解離和傳導具有根本性影響，它賦予聚合物側鏈期望的鏈運動性能，克服了固態聚合物電解質的離子傳輸固有限制。通過使用交替排列的氟化鋰鹽和PEO掛鏈，研究人員提高了離子分布的分子級均一性，調控了陰離子-Li⁺絡合反應，從而提高了Li+的解離，實現了獨特的序列輔助PEO-Li⁺-陰離子遷移。

此外，交替排列的單離子聚合物電解質（SIPE）能夠在室溫下實現全固態鋰金屬電池的運行，解決了固態電解質長期以來的問題。這項研究表明，聚合物序列可以更精細地編程，各種功能可以被設計，為在鋰電池之外的能源設備中實現高效的離子傳輸和多功能離子導電材料開辟了新途徑。

圖2. 電池性能

Sequencing polymers to enable solid-state lithium batteries, Nature Materials 2023 DOI：10.1038/s41563-023-01693-z

6. Nature Catalysis：機器學習輔助設計二元描述符，破譯硫反應動力學的電子和結構效應

向鋰硫電池中引入高活性催化劑，例如過渡金屬化合物（TMC），已被證明是提高反應動力學的有效策略。TMC的金屬中心具有部分填充的d軌道，被認為是催化反應的活性中心，其與多硫化鋰中硫p軌道之間的d-p軌道雜化狀態，已被廣泛用于分析催化效應機制。然而非金屬與多硫化鋰中鋰之間的相互作用，雖然在不同TMC催化劑中普遍存在，卻一直缺乏深入理解。

在此，清華大學深圳國際研究生院周光敏教授團隊基于密度泛函理論與機器學習算法，提出可用于篩選鋰硫電池TMC催化劑的二元描述符。該二元描述符由能帶匹配指數（IBand）與晶格錯配指數（ILatt）組成，分別描述了電子狀態與幾何結構對于催化效應的貢獻。文章以鎳基TMC催化劑為模型體系驗證二元描述符，成功揭示了TMC催化劑非金屬位點在多硫轉化動力學中的作用。研究發現IBand與ILatt分別與吸附過程及反應過程相關聯，具有適中IBand與最小ILatt的NiSe₂，被預測可有效提升硫反應動力學。

經實驗驗證，基于NiSe₂組裝的鋰硫電池，可在15.0 mg cm^-2的硫面負載或-20℃的低溫下實現良好的循環穩定性。本文采用添加NiSe₂的正極，可在高硫載量與貧電解液條件下，構筑402 Wh kg^-1的軟包電池。

圖1. 從電子效應角度揭示TMC催化劑中非金屬的影響機制

總之，該工作應用DFT在考慮催化體系的電子和結構特性的同時鑒定了經過實驗驗證的BD，以指導鋰硫電池高效催化劑的設計，并且提出IBand和ILatt作為篩選鋰硫電池中TMC催化劑的電子效應和結構效應描述符。

此外，本文采用機器學習方法，基于IBand和ILatt構建二元描述符。通過同時考慮軌道耦合和晶格畸變效應，更全面地理解催化活性影響機制。最后基于篩選出的NiSe₂催化劑組裝Ah級鋰硫軟包電池，在17.3mg cm^-2高硫面載量和4 μL mg^-1 貧電解液條件下，可實現402 Wh kg^-1高能量密度。因此，擬議的BD由電子和結構方面組成，為分析LiPS轉化和設計高效催化劑提供了一個合理的觀點，并可作為通用描述符進一步應用于其他TMC。

圖2. TMC催化劑中非金屬對電化學性能的影響

Machine-learning-assisted design of a binary descriptor to decipher electronic and structural effects on sulfur reduction kinetics, Nature Catalysis 2023，DOI:10.1038/s41929-023-01041-z

7. Nature Communications：安時級軟包鉀離子混合電容器實現6分鐘快速充電

安培-小時(Ah)規模的電化學儲能設備的極快充電目標是充電時間少于10分鐘，以促進廣泛采用。然而，由于其固有的反應機理和高電流密度下的安全隱患，這一指標在傳統的鋰離子電池中很難實現。

在此，湖南大學羅勝聯，周海暉，帝國理工學院焦樹強，趙云龍等人報道了1Ah型軟包裝鉀離子混合型超級電容器（PIHC），它結合了電池型負極的高能量密度和電容型正極的高功率密度的優點。具體而言，PIHC由富含缺陷、高比表面積的N摻雜碳納米管基正極、鑲嵌間距擴大的MnO量子點的碳納米管基負極、碳酸鹽基非水電解液以及無粘結劑和集電器的電池設計組成。

通過對電池配置、電極和電解液的優化，電池電壓高達4.8 V，高達140 Wh kg^?1(以整個器件質量為基準)的高滿電池比能量，充滿6分鐘。在10 C(10A)下循環200次后，容量保持率為88%，在25±1 ℃時的電壓保持率為99%。

圖1. N-CNTs@MC//MnO@CNTs 扣式全電池的電化學性能

總之，該工作對鉀離子基器件進行了整體優化，實現了可快速充電的高能量密度1 Ah PIHCs軟包電池，具有140 Wh kg^-1的高比能量（基于器件整質量）、優異的性能（6分鐘充滿電）和良好的循環穩定性（10 C條件下循環200次，容量保持率88%）等超強綜合性能。

該比能量接近傳統鋰離子電池在 1 C 下的比能量，是 Ah 級儲能設備在極速充電方面的重大突破，顯示出其在耗電便攜設備和電動汽車等合理電池配置方面的高度商業應用前景。通過優化孔隙率和擴大間距的結構設計，以及引入 N 摻雜和嵌有MnO 以促進表面電子再分布，成功實施了所提出的贗電容調制策略。此外，團隊還開發了一種有效的技術，用于制造輕質、耐腐蝕的獨立電極，從而實現 4.8 V 的高電壓和更高的整體能量密度

圖2. N-CNTs@MC//MnO@CNTs Ah 軟包電池的電化學性能

Ampere-hour-scale soft-package potassium-ion hybrid capacitors enabling 6-minute fast-charging, Nature Communications 2023 DOI: 10.1038/s41467-023-42108-6

8. Angewandte Chemie International Edition：金屬有機聚合物分子工程促進硝酸鹽電還原制NH3和鋅-硝酸鹽電池

MOF的結構明確，并且功能可調控，是具有前景的單一位點催化劑用于電催化還原NO₃^–制備高附加值NH₃。

在此，香港城市大學支春義團隊提出一種分子工程增強NO₃^–電催化還原制備NH₃的方法，這種分子工程通過向MOF引入羰基官能團的方式精確調控金屬位點的電子結構。具體而言，因為羰基官能團具有拉電子作用，金屬催化位點的電子結構轉變為缺電子狀態，促進NO₃^–吸附和加氫轉化為NH₃。相比于CuBTA的NO₃^–轉化為NH₃的催化活性非常低，CuTABQ的NO₃^–轉化反應NH₃法拉第效率達到97.7 %。

圖1. 理論計算

總之，該項工作提出的分子工程策略具有普適性優勢，比如Co或者Ni等金屬位點MOF的電催化轉化反應都表現改善的NO₃^–轉化為NH₃催化活性。基于CuTABQ構筑Zn-NO₃^–電池的功率密度達到12.3 mW cm^-2。因此該項工作展示了在分子尺度進行理性設計金屬催化劑，能夠改善NO₃^–還原制備NH₃的性能。

圖2. 電化學性能

Molecular Engineering of a Metal-Organic Polymer for Enhanced Electrochemical Nitrate-to-Ammonia Conversion and Zinc Nitrate Batteries, Angewandte Chemie International Edition 2023 DOI: 10.1002/anie.202309930