1. 廈大孫世剛院士/湖北大學ACS Nano: 構建黑曲霉衍生碳/MoS2的“雙凹緩和”策略，用于超穩定儲鈉！
二維層狀材料普遍面臨電子轉移受阻和結構穩定性差的問題，從而限制了其在高倍率和長效鈉離子電池（SIBs）中的應用。為了滿足高性能SIBs的要求，應綜合考慮離子/電子通道、結構穩定性和內部空間，但仍難以確定二維層狀材料的合理結構。有限元模擬是當前加速尋找有前途的空心結構的強大工具。
在此，廈門大學孫世剛院士、廖洪鋼教授以及湖北大學梅濤副教授等人采用有限元模擬方式提出了一種基于黑曲霉衍生碳（ANDC）的“雙凹緩和”策略，以構建具有中空雙凹結構的ANDC/MoS2。通過非原位拉曼光譜、XPS、XRD和HRTEM研究證明了ANDC/MoS2的優勢，從納米結構設計的角度來看，中空雙凹面結構為快速氧化還原反應提供了豐富的電荷存儲位點，而本征雜原子摻雜增加了活性材料的親和力，促進了電子轉移。
ANDC/MoS2作為鈉離子電池的負極具有出色的長期循環性能，在1 A g-1下循環1000次后可提供496 mAh g-1的放電容量，容量保持率為94.5%，比裸MoS2納米片增加了近七倍。即使在5 A g-1的高電流密度下，300次循環后仍可保持約400 mAh g-1的可逆放電容量。此外，ANDC/MoS2也可用于高效的鋰存儲。通過原位 TEM，作者進一步揭示了ANDC/MoS2的空心雙凹結構使穩定和快速的鍍鈉/脫鈉成為可能。
圖1. 有限元建模及ANDC/MoS2的合成過程示意圖
圖2. ANDC/MoS2和裸MoS2納米片的電化學性能
A “Biconcave-Alleviated” Strategy to Construct Aspergillus niger-Derived Carbon/MoS2 for Ultrastable Sodium Ion Storage, ACS Nano 2021. DOI: 10.1021/acsnano.1c05590
2. 廈大&大連化物所ACS Nano: 用于高負載鋰硫電池的輕質MOF電催化膜的缺陷工程
鋰硫 (Li-S) 電池以其高理論容量和重量能量密度而被認為是下一代電化學儲能系統的有希望的候選者，多硫化鋰中間體緩慢的動力學和穿梭效應是阻礙其實際應用的主要挑戰。
在此，廈門大學張力、陳嘉嘉以及中科院大連化物所郭向陽等人引入了一種缺陷工程策略來構建一種缺陷的-UiO-66-NH2-4 /石墨烯電催化膜（D-UiO-66-NH2 -4/G EM），該膜可以加速高硫負載和低電解液/硫 (E/S) 比Li-S電池中多硫化鋰的轉化。MOF材料（UiO-66-NH2）可以被定向化學雕刻以形成具有豐富缺陷的凹八面體。根據電催化動力學和DFT計算研究，D-UiO-66-NH2-4結構通過強大的化學親和力有效地提供了充足的位點來捕獲多硫化物，提高了多硫化物轉化的電催化活性。
因此，在貧電解液（E/S = 5 μL mg-1）以及2.1 mA cm-2 (0.1 C) 電流密度下，具有這種電催化膜的Li-S電池在硫負載高達12.2 mg·S cm-2時可提供 12.3 mAh cm-2 (1013 mAh g-1) 的高容量。此外，軟包鋰硫電池還表現出優異的循環穩定性，在100次循環后保持 996 mAh g-1的容量。這項研究可以啟發基于框架的納米材料的設計，以適應未來各種電化學能量存儲和轉換系統的需求。
圖1. D-UiO-66-NH2-4 EM合成及表征
Defects Engineering of Lightweight Metal-Organic Frameworks-Based Electrocatalytic Membrane for High-Loading Lithium-Sulfur Batteries, ACS Nano 2021. DOI: 10.1021/acsnano.1c05585
3. 北理工/華東理工ACS Energy Lett.: 高導電COF@CNT電催化劑促進鋰硫電池中的多硫化物轉化
鋰硫（Li-S）電池中共價有機骨架 (COF) 的催化在很大程度上受到弱化學相互作用和低電導率的阻礙。目前很少有研究涉及COF材料在Li-S電池中的催化性能的基本理解，并且合成高效COF負載電催化劑的一般標準也沒有得到解決。
在此，北京理工大學陳人杰教授以及華東理工大學鈕東方副教授、安書浩等人在碳納米管（CNT）表面上原位制造了一種新型的基于二酮吡咯并吡咯 (DPP) 的COF（Py-DPP-COF），以通過其高導電性和與LiPS的強化學相互作用來揭示電催化活性。通過引入適當含量的CNT（66 wt%），可以最大限度地提高DPP-COF 的電催化活性。
作者通過DFT計算、XPS、FTIR和拉曼等分析表明，DPP部分可以介導由 C=O/C-O鍵合轉化所貢獻的多硫化物的轉化。因此，改進后的鋰硫電池在1000 次循環后顯示出0.042%的衰減率，并在10 mg cm-2硫負載和貧電解液（E/S = 5）下實現了8.7 mAh cm-2的理想容量。這項工作為設計用于實用Li-S電池和其他電化學儲能設備的功能性無金屬 COF/碳催化劑提供新的視角。
A Highly Conductive COF@CNT Electrocatalyst Boosting Polysulfide Conversion for Li-S Chemistry, ACS Energy Letters 2021. DOI: 10.1021/acsenergylett.1c00943
4. 北理工黃佳琦團隊AEM: 解讀主體材料電導率對復合鋰金屬負極鋰沉積的影響
由于不受控制的鋰沉積和大的體積波動，鋰金屬負極表現出較差的循環穩定性， 具有3D主體的復合鋰金屬負極顯示出穩定的鋰沉積。然而主體材料的優勢是通過各種參數的共同作用來實現的，單一參數對鋰沉積的影響是未知的，這阻礙了主體材料的合理設計。
在此，北京理工大學黃佳琦教授等人展示了一種解耦方法，以深刻解讀主體材料的電導率對鋰沉積行為的影響。作者通過在導電主體表面巧妙地原位形成幾十納米厚的聚合物涂層來調節主體的電導率，同時保持其他參數幾乎不變，從而達到將電導率的作用與其他參數解耦的目的。
結合實際應用，作者采用銅網（CM）和碳纖維（CF）兩種典型主體進行定量分析，結果證明主體的電導率顯著決定了主體附近的電勢分布，然后是鋰離子的傳輸，從而調節鋰沉積。具有高導電性的主體明顯提高了多種實用電池系統的循環性能，優于導電性較差的主體。這種解耦方法提供了一種探索單個參數在主體中的作用的新方法，為鋰金屬負極主體材料的合理設計提供指導。
Deciphering the Effect of Electrical Conductivity of Hosts on Lithium Deposition in Composite Lithium Metal Anodes. Advanced Energy Materials 2021. DOI: 10.1002/aenm.202101654
5. 南開大學陳軍院士最新Angew: 用于堅固鋅金屬負極的陰離子型無水Zn2+溶劑化結構設計
可充電水系鋅電池由于其低成本和高安全性而具有大規模電化學儲能的潛力。然而，鋅金屬負極存在枝晶生長和界面析氫反應（HER），導致電極/電池性能下降。
在此，南開大學陳軍院士等人設計了一種陰離子型無水Zn2+溶劑化結構電解質 (ASE)，用于解決鋅負極問題。作者指出，枝晶和HER都與水參與的Zn2+溶劑化結構- Zn(H2O)62+有關，因此可以通過將Zn(H2O)62+轉化為陰離子型無水溶劑化結構- ZnCl42-來解決。這可以在傳統的ZnSO4水系電解液中添加具有大體積陽離子的氯化物鹽（1-乙基-3-甲基咪唑氯化物）后實現。
通過原位AFM發現，陽離子-水相互作用的消除抑制了HER，而Zn尖端和陰離子溶劑化結構之間的靜電排斥抑制了枝晶的形成。因此，ASE顯示出均勻的鋅沉積，平均鍍鋅/剝離庫侖效率為~99.9%，以預鍍鋅聚苯胺（Z-PANI）為正極的無負極鋅電池300次循環后容量保持率為 78.8%。這項工作提供了一種新穎的電解質設計策略，以防止 HER并實現長壽命金屬負極。
圖2. 無負極電池和軟包電池的儲能機制和電化學性能
Designing anion-type water-free Zn2+ solvation structure for robust Zn metal anode, Angewandte Chemie International Edition 2021. DOI: 10.1002/anie.202109682
6. 中科院蘇州納米所陳立桅團隊JACS: 用于電池的自組裝單層膜綜述
目前鋰電池領域的研究重點提高能量密度，然而安全性、穩定性和循環壽命等不應被忽視，這些問題通常源于界面不穩定性。最近的研究已經證明了自組裝單分子層 (SAMs) 在解決電池領域的緊迫問題（例如鋰的化學穩定性）方面的能力，但還需要更多的研究來充分探索這種技術對儲能的潛力和影響。
在此，中科院蘇州納米所陳立桅研究員、沈炎賓副研究員等人首次綜述了當前鋰電池中SAM的文獻進展。目前已發表的工作主要集中在兩個方面，即基于插層的先進鋰離子電池材料的穩定化和鋰負極的鈍化和受控沉積。在這些情況下，SAMs 的誘人優點，如單層均勻性、分子水平厚度和易于制備，使SAM電池具有非常有前途的特性。
其次，作者指出SAM的多功能結構和特性有助于克服一系列令人眼花繚亂的技術瓶頸，從離子或電子導電網絡的構建到轉化反應的動力學控制。SAMs在鋰電池中的未來應用肯定會超出想象，但SAMs在電池中的應用仍處于起步階段，作者還簡要討論了SAM與底物的結合、分子軌道和電化學穩定性，以及制造和維護，這將有利于未來電池的發展。
Self-Assembled Monolayers for Batteries, Journal of the American Chemical Society 2021. DOI: 10.1021/jacs.1c04416
7. 蘇州大學鄭洪河團隊EnSM: 用于消除硅負極中HF的多功能界面改性劑
氟代碳酸亞乙酯 (FEC) 是鋰離子電池（LIBs）硅 (Si) 負極中重要的電解液添加劑，可以形成穩定的SEI層并且可以顯著提高Si負極的循環穩定性，但它很容易被路易斯酸（PF5–）脫氟形成有害的腐蝕性物質（HF）。
為了克服這個問題，蘇州大學鄭洪河教授、王艷等人在硅表面上開發了一種新型的多功能表面改性劑（HEDP）。它不僅可以消耗HF，還可以參與形成具有優異電化學穩定性、高鋰電導率和良好熱穩定性的固體電解質界面（SEI）膜。此外，帶有聚偏二氟乙烯 (PVDF) 粘結劑的Si@HEDP負極表現出極大改善的電化學性能。
在30°C下循環500次后，基于該添加劑的Si@HEDP負極獲得了1831.8 mAh g-1的高可逆容量，在60°C下循環200次后，仍保持2163.8 mAh g-1，這與25次循環后容量幾乎為零的對照硅負極形成鮮明對比。這項工作克服了在硅基電池中使用 FEC電解質添加劑和PVDF粘結劑的基本挑戰。
圖1. Si@HEDP負極與對照Si負極電化學性能對比
圖2. HEDP使用FEC添加劑和PVDF粘結劑保護Si負極的機制示意圖
1-Hydroxyethylidene-1, 1-diphosphonic acid: a multifunctional interface modifier for eliminating HF in silicon anode, Energy Storage Materials 2021. DOI: 10.1016/j.ensm.2021.08.010
8. 陜師大蔣加興團隊AFM: 用于雙離子電池的高性能聚合物正極的“供體-受體”結構設計
具有高氧化還原可逆性和高理論容量的二氫吩嗪 (Pz) 是構建用于雙離子電池的p型聚合物正極的有吸引力的選擇。然而，迄今為止報道的大多數Pz基聚合物正極仍然存在氧化還原活性低、動力學緩慢和循環壽命短的問題。
在此，陜西師范大學蔣加興教授、張崇等人通過整合給電子Pz基團和吸電子 2,4,6-三苯基-1,3,5-三嗪 (Tz) 基團形成聚合物鏈，制備了“供體-受體”(D-A)結構Pz基共軛微孔聚合物 (TzPz) 正極。D-A型結構增強了聚合物的共軛度并降低了 TzPz 的帶隙，促進了電子沿聚合物骨架的傳輸。
因此，用于雙離子電池的TzPz正極在0.2 A g-1時顯示出192 mAh g-1的高可逆容量，具有優異的倍率性能（30 A g-1時為108 mAh g-1），遠高于由1,3,5-三苯基苯 (Bz) 和Pz制備的對應聚合物BzPz（0.2和10 A g-1時分別為148和44 mAh g-1）。此外，TzPz正極還表現出超過10 000次循環的長期穩定循環能力。這些結果表明，D-A結構設計是開發用于雙離子電池的高性能聚合物正極的有效策略。
Toward High-Performance Dihydrophenazine-Based Conjugated Microporous Polymer Cathodes for Dual-Ion Batteries through Donor-Acceptor Structural Design, Advanced Functional Materials 2021. DOI: 10.1002/adfm.202105027
原創文章，作者：科研小搬磚，如若轉載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.zzhhcy.com/index.php/2023/10/26/78e21935b9/
