1. Angew：解析鋰離子電池中由溫度脈沖引起的電極-電解質界面變化

盡管人們普遍認為工作溫度會顯著影響鋰離子電池的能量密度和循環壽命，但對環境溫度驟變對電極-電解質界面化學性質的影響仍缺乏足夠的了解。

圖1. 有無溫度脈沖條件下的電池性能對比

美國德克薩斯大學奧斯汀分校Arumugam Manthiram等系統地研究了溫度脈沖（T脈沖）對LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O₂(NMC 811)軟包全電池電化學性能的影響。值得注意的是，與靜態條件下工作的電池相比，T脈沖下的全電池始終表現出加速的容量衰減。

作者利用高化學和空間分辨率進行的先進表征揭示出T脈沖會迅速導致CEI結構和化學性質惡化，并可能由于CEI體積和溶解度發生更顯著的變化而使正極與電解液發生更多寄生副反應，而在短期循環（例如200次循環）期間，T脈沖對SEI的影響相對較小。

圖2. 短循環后CEI的表征

同時，由于對正極的保護不足，正極電解液的副反應在經歷過T脈沖的正極中發生得更為劇烈。更嚴重的是，經過T脈沖的電池在隨后的長期循環（如800次循環）后，過渡金屬沉積、電解液還原產物和”死”鋰物種會逐漸積累在石墨負極上。

這項工作的結果表明，保持相對穩定的工作環境對汽車電池非常重要。該研究采用的模擬方法可應用于其他電池系統，并促進對固態電解質、鋰金屬負極、硅負極和硫正極等不同組件的溫度影響的探索。

圖3. 短循環后SEI的表征

Irreparable interphase chemistry degradation induced by temperature pulse in lithium-ion batteries. Angewandte Chemie International Edition 2023. DOI: 10.1002/anie.202313437

2. 陳科/王華/張勇波等AFM：受搪瓷啟發的耐熱機械堅固納米復合電池隔膜

微孔聚乙烯（PE）膜是一種具有代表性的鋰離子電池（LIBs）隔膜，但它會發生收縮，尤其是在高溫條件下，并且在生長鋰枝晶時容易被刺穿，從而導致短路、熱失控甚至爆炸等嚴重后果。

圖1. HAPNA/PE納米復合膜的制備及表征

北京航空航天大學陳科、王華、張勇波、國防工程研究院Yong Mei等在原位搪瓷工程和熱處理工藝的基礎上，采用準連續策略成功制備了搪瓷啟發的大面積、受羥基磷灰石納米片陣列(HAP-NA)增強的PE納米復合隔膜，該隔膜具有高熱穩定性或安全性、堅固的機械性能、優異的潤濕性、多孔微觀結構、無”滴漏”、出色的電化學循環穩定性以及抑制鋰枝晶生長的效果。

實驗和模擬結果證實，HAPNA/PE納米復合膜即使在高溫處理（高達200℃）下也不會出現明顯收縮，而且具有很強的機械性能，包括很高的斷裂強度、優異的伸長率、驚人的摩擦系數以及更高的楊氏模量和硬度。

圖2. HAPNA/PE納米復合膜的機械性能

研究顯示，納米復合膜的優異性能可歸因于眾多HAP-NA/PE混合界面相互作用與有序、三維交錯和相互支撐的混合微結構之間的最佳組合。隨著納米復合隔膜的成功構建，作者開發出了一種新穎有效的策略，用于制備耐熱、堅固和高韌性的生物啟發聚合物基材料。除了將改性PE隔膜應用于鋰離子電池外，這種準連續策略還有可能應用于許多其他技術領域，例如柔性植入電子或電氣設備以及航空航天領域。

圖3. 電化學性能研究

Thermally Resistant, Mechanically Robust, Enamel-Inspired Hydroxyapatite/Polyethylene Nanocomposite Battery Separator. Advanced Functional Materials 2023. DOI: 10.1002/adfm.202308039

3. 孫潔/向黔新/周朝毅AFM：聚丙烯酸-羧甲基纖維素交聯二元粘結劑提升磷負極性能

磷是一種很有前途的負極材料，具有高容量（2596 mAh g^?1和6075–6924 mAh cm^?3）、低鋰離子擴散勢壘（0.08 eV）和適宜的鋰化電勢（≈0.7 V vs Li⁺/Li）。然而，體積膨脹大（≈300%）、電子電導率低（10^?14–10² S cm^?1）和可溶性中間體（多磷化鋰，LixpPs）等問題限制了其性能。

圖1. PAA/CMC粘結劑的結構及表征

天津大學孫潔、貴州振華新材料有限公司向黔新、周朝毅等設計了一種堅固的交聯二元聚合物粘結劑PAA/CMC，以提高磷負極的性能。

其優勢如下：首先，磷和粘結劑之間穩定的化學鍵和強大的3D交聯網絡增強了電極的機械強度。其次，良好的親和力使粘結劑均勻覆蓋活性材料，可防止磷與電解液的直接接觸，從而減少了它們之間的副反應。第三，PAA/CMC和Li₃P之間沒有發生副反應。最后，P/CNT-PAA/CMC表現出優異的電化學動力學。

圖2. 循環穩定性研究

因此，P/CNT-PAA/CMC具有優異的循環性能，具有1502.5 mAh g^?1（在260 mA g^?1下循環100次后）和1230.2 mAh g^–1（在1300 mA g^?2下循環200次后）的高比容量。

此外，在260 mA g^?1下循環50次后，P/CNTPAA/CMC的體積膨脹率僅為6%，低于文獻中用于鋰離子電池的其它磷基負極。總之，這項工作為磷基負極提供了一種剛性、簡單、低成本和環保的粘結劑。

圖3. 倍率性能研究

Cross-Linked Binary Polymeric Binder of Polyacrylic Acid–Carboxymethyl Cellulose for Improving Phosphorus Anode. Advanced Functional Materials 2023. DOI: 10.1002/adfm.202308325

4. 徐楊NML：層狀鈮酸鉀鈦/rGO納米復合材料作為鉀離子電池負極

石墨目前是鉀離子電池（KIB）最可行的負極材料，但其他材料的研究相對不足。過渡金屬氧化物就是其中之一，它具有合成工藝成熟、長期循環穩定和快速氧化還原動力學等諸多優點。

圖1. 材料表征

倫敦大學學院徐楊等報告一種通過溶劑熱法合成的層狀鈦酸鉀 KTiNbO₅（KTNO）及其 rGO 納米復合材料（KTNO/rGO），作為 KIB 的高性能負極。通過在導電rGO上的有效分布，KTNO納米顆粒的電化學性能得到了提高。

KTNO/rGO的鉀存儲性能體現在其在20 mA g^-1下的首次充電容量為128.1 mAh g^-1，循環500次后的可逆容量為 97.5 mAh g^-1，保留了初始容量的76.1%，并且在1 A g^-1下具有54.2 mAh g^-1的優異倍率性能。

圖2. 電化學性能研究

此外，作者通過原位XRD以及非原位XRD對其電荷存儲機制進行了研究，結果表明這是一種低應變材料。這是一個有趣的結果，因為低應變材料可以最大限度地減少結構破壞，并從根本上改善循環性能，因此可以在儲能行業得到廣泛應用。

本文進一步的非原位XPS分析表明，鈦和鈮都具有氧化還原活性，能夠完全還原成Ti³⁺，部分還原成Nb⁴⁺。總體而言，KTNO一方面代表了作為石墨有前景的替代品，另一方面已被證明是一種既有能力又可持續的KIB負極材料，因此值得對其低應變特性進行進一步研究。

圖3. 儲鉀機理研究

Layered Potassium Titanium Niobate/Reduced Graphene Oxide Nanocomposite as a Potassium-Ion Battery Anode. Nano-Micro Letters 2023. DOI: 10.1007/s40820-023-01222-2

5. 姚彥等ACS Energy Lett.：利用具有尺寸選擇性COF抑制有機電池中的穿梭效應

有機電池因其元素豐富、對環境影響小而前景廣闊，但由于溶解的氧化還原中間體的穿梭效應，其容量往往會衰減。

圖1. 制備雙層COF膜的兩種方法的比較

美國休斯頓大學姚彥、Devin L. Shaffer等引入了一種雙層TpPa@PP膜，以解決上述問題，它由70納米的共價有機框架(COF)薄膜組成，通過界面聚合合成，隨后沉積在聚丙烯基底上。通過界面聚合合成，COF厚度達到了納米級精度，同時還實現了支撐層與COF層的獨立可調性。

此外，作者進行了滲透研究和小分子排斥測試，以確定TpPa@PP膜的傳輸特性和孔徑分布，結果表明，TpPa@PP能有效阻斷可溶性有機中間產物的穿梭，而對Li⁺離子的傳輸影響極小。

圖2. 滲透實驗

實驗顯示，當TpPa@PP膜與芘-4,5,9,10-四酮（PTO）（一種具有高容量但存在顯著溶解問題的有機正極）配對時，它能有效阻止體積龐大的PTO和Li₂-PTO物種在H型電池中的交叉，從而提高了首次循環庫侖效率，并略微增強了循環穩定性。總體而言，這項工作為有機電池的隔膜設計提供了重要啟示。

圖3. 電化學性能研究

Suppressing Shuttle Effect with a Size-Selective Covalent Organic Framework Based Bilayer Membrane. ACS Energy Letters 2023. DOI: 10.1021/acsenergylett.3c01740

6. 武培怡/焦玉聰Angew：采用聚合物添加劑引導鋅均勻沉積，實現高利用率鋅金屬負極

鋅負極上的寄生副反應是阻礙水系鋅儲能系統在電網應用中發展的關鍵問題。

圖1. EDL結構和鋅沉積行為的調節示意圖

東華大學武培怡、焦玉聰等采用2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰膽堿（MPC）和N-丙烯酰基甘氨酰胺（NAGA）共聚而成的聚合物添加劑（PMCNA）來調節鋅沉積環境，從而在鋅利用率較高的長期循環過程中實現令人滿意的副反應抑制性能。

研究顯示，PMCNA可優先吸附在鋅金屬表面，形成均勻的保護層，從而有效阻擋水分子，防止副反應。此外，PMCNA還能引導Zn沿002平面成核和沉積，進一步抑制副反應和枝晶。

圖2. 對稱電池性能

因此，PMCNA的這些協同特性使Zn//Zn電池在11.6 mA h cm^-2的超高放電深度（DOD）條件下具有較長的循環壽命（超過420小時），并使Zn//PANI電池在寬溫度范圍內具有穩定的性能。實驗顯示，Zn//PANI電池在2.6的低N/P比下Zn利用率達到 51.3%。

圖3. Zn//PANI電池性能

Guiding Zn Uniform Deposition with Polymer Additives for Long-lasting and Highly Utilized Zn Metal Anodes. Angewandte Chemie International Edition 2023. DOI: 10.1002/anie.202314456

7. 杜麗/陶新永/張傳芳ACS Nano：利用高穩定性雙鹵化物SEI增強Li⁺擴散動力學

隔膜工程是為高性能鋰金屬電池（LMB）設計先進鋰金屬負極的一條大有可為的途徑。傳統的隔膜無法調節Li⁺在固體電解質界面層(SEI)的擴散，從而導致嚴重的枝晶沉積。

圖1. 材料表征

華南理工大學杜麗、浙江工業大學陶新永、四川大學張傳芳等設計了一種通過噴涂Cl封端的碳化鈦MXene油墨改性的聚丙烯（PP）隔膜（PP@Ti₃CNCl₂），以解決這一問題。

研究顯示，親鋰的MXene具有優異的電解液潤濕性和較低的Li⁺擴散阻力，從而增強了SEI的Li⁺擴散動力學。此外，X射線光電子能譜深度剖析和冷凍透射電子顯微鏡顯示，在電化學過程中自發形成了梯度SEI層，其中均勻分布著LiF和LiCl。

圖2. 半電池性能

離子傳輸的調節導致了鋰的均勻沉積，而帶有LiF和LiCl的完整SEI層則有助于在反復循環時形成穩固的界面。因此，基于PP@Ti₃CNCl₂隔膜的電池在3 mA cm^-2的條件下，對稱電池的壽命超過5500小時，而在LFP全電池中，在2 C條件下的循環次數超過3100次。這項工作的設計為使用LiCl和LiF構建無枝晶和Li⁺可滲透界面提供了機會，為高能量密度LMB提供了啟示。

圖3. 全電池性能

Separator Engineering Based on Cl-Terminated MXene Ink: Enhancing Li+ Diffusion Kinetics with a Highly Stable Double-Halide Solid Electrolyte Interphase. ACS Nano 2023. DOI: 10.1021/acsnano.3c07413

8. 三單位AFM：基于弱結合溶劑的快充鋰離子電池，最高達7C！

鋰離子電池（LIB）的快速充電時間超過標準的0.3 C（充電時間為 3.3小時）是人們迫切追求的目標，但由于傳統碳酸酯基電解液的緩慢脫溶劑化動力學、石墨負極上的析鋰和枝晶生長以及火災危險等原因，這一目標受到了阻礙。

圖1. 電解液的特性研究

韓國祥明大學Jiyoung Heo、首爾基礎科學研究院Young Joo Lee、忠南大學Seung-Wan Song等報告了一種新型弱結合全線性分子基不易燃電解液（WNLE），其由1 m LiPF₆-碳酸甲乙酯/2,2,2-三氟乙酸乙酯和添加劑組成，采用它的LIB充電速度比傳統電解液快10-20倍。

WNLE的主要優點是粘度低44%、Li⁺擴散系數高62%、Li⁺轉移數高20%、解溶劑化能低17%，從而促進了石墨負極附近的Li⁺擴散動力學和脫溶劑化動力學，最終實現了無枝晶的LIB，同時還具有不可燃性。

圖2. 電化學性能研究

研究顯示，在3 C條件下（20分鐘內充電），基于WNLE的800 mAh工業石墨//鎳鈷錳酸鋰（高活性物質負載13 mg cm^-2）鋰離子軟包電池實現了出色的700次循環，容量保持率達 82%，庫侖效率高達≈100%。

此外，在負極和正極形成的堅固固體電解質界面層緩解了界面失效，使充電速度快速甚至達到了7 C，循環壽命更長。這種新型電解液是一種前景廣闊的解決方案，也是實現實際應用中快充LIBs運行的新機遇。

圖3. 界面研究

Weakly Binding Molecules-Based Fast Charging Li-Ion Batteries. Advanced Functional Materials 2023. DOI: 10.1002/adfm.202311782