1. 華東師范李超EES：揭示鈉層狀氧化物中的超結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和循環(huán)性之間的不一致性

三維過渡金屬層狀氧化物中氧陰離子氧化還原（OAR）的可逆性是將其應(yīng)用于可持續(xù)電池的關(guān)鍵。然而，在長期電池運行過程中，陽離子超結(jié)構(gòu)（superstructure）有序化對OAR可逆性的影響仍未得到闡明。

圖1. 結(jié)構(gòu)與電化學

華東師范大學李超等通過比較兩種截然不同的體系（即帶狀超結(jié)構(gòu)P2-和P3-N_a0.6Li_0.2Mn_0.8O₂），探討了超結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與OAR長期循環(huán)性之間的不一致性。研究顯示，脫鈉的P3-N_a0.6Li_0.2Mn_0.8O₂中形成的O型結(jié)構(gòu)域的”少Li多Na”特征為帶狀超結(jié)構(gòu)的重建提供了驅(qū)動力，而脫鈉的P2-N_a0.6Li_0.2Mn_0.8O₂中形成的”多Li少Na”特征則沒有提供驅(qū)動力，因此P3-N_a0.6Li_0.2Mn_0.8O₂的超結(jié)構(gòu)具有更好的穩(wěn)定性和局部Mn-O配位的可逆性。

圖2.?固態(tài)核磁共振揭示了超結(jié)構(gòu)有序演化的根本原因

更重要的是，作者發(fā)現(xiàn) P3-N_a0.6Li_0.2Mn_0.8O₂中逐漸喪失的帶狀超結(jié)構(gòu)和隨之發(fā)生的緩慢局部結(jié)構(gòu)重排導(dǎo)致OAR的可循環(huán)性比P2-N_a0.6Li_0.2Mn_0.8O₂更差。因此，可以合理地得出結(jié)論：正是Li⁺的可逆平面外位移本質(zhì)上決定了OAR的可循環(huán)性，而不是超結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。這些發(fā)現(xiàn)代表了超結(jié)構(gòu)對OAR行為影響的概念突破。

圖3.?材料循環(huán)中超結(jié)構(gòu)有序化的演變過程示意圖

Inconsistency between superstructure stability and long-term cyclability of oxygen redox in Na layered oxides. Energy & Environmental Science 2023. DOI: 10.1039/d3ee02915h

2. 王輝/鄭方才AFM：五邊形缺陷加速多硫化物轉(zhuǎn)化，催生高性能鈉硫電池

多孔碳材料具有高導(dǎo)電性和優(yōu)異的機械強度，已被證明是室溫鈉硫（RT Na-S）電池最有前途的硫宿主之一。然而，完整石墨晶格的非極性表面與極性多硫化物的相互作用較弱，從而導(dǎo)致了臭名昭著的穿梭效應(yīng)和較差的硫轉(zhuǎn)化動力學。

圖1.?五邊形缺陷促進硫轉(zhuǎn)化反應(yīng)的理論計算

中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院王輝、名古屋大學Changlai Wang、安徽大學鄭方才等在石墨晶格中設(shè)計了五邊形缺陷，以打破π-共軛的完整性，使局部電子分布同時增強多硫化物的親和力并加速硫轉(zhuǎn)化動力學。DFT計算表明，與完整的石墨晶格相比，五邊形缺陷可以打破??-共軛的完整性，誘導(dǎo)局部電子分布，從而促進多硫化物的親和性，降低硫轉(zhuǎn)化障礙。

在DFT計算的指導(dǎo)下，作者通過選擇性去除氮摻雜碳材料（NCs）中的吡啶-N（N-6）和吡咯-N（N-5），在碳材料（PCs）中實驗性地構(gòu)建了五邊形缺陷。通過去除 N 原子，得到的PC還含有發(fā)達的分級多孔結(jié)構(gòu)。五邊形碳原子上增加的極性和累積的局部電荷可促進多硫化物的強親和性并降低硫轉(zhuǎn)化障礙，從而提高RT Na-S電池的儲能性能。

圖2.?動力學分析

值得注意的是，作為硫宿主的合成碳材料在0.1C條件下循環(huán)100次后顯示出1275 mAh g^-1的高可逆容量，并且在3C條件下循環(huán)600次后顯示出長期循環(huán)穩(wěn)定性，每次循環(huán)僅有0.035%的低容量衰減。這項研究為設(shè)計碳材料中的固有五邊形缺陷作為RT Na-S電池的高效催化劑提供了基礎(chǔ)。

圖3.?RT Na-S電池的性能

Pentagon Defects Accelerating Polysulfides Conversion Enabled High-Performance Sodium–Sulfur Batteries. Advanced Functional Materials 2023. DOI: 10.1002/adfm.202310598

3. 港理工鄭子劍團隊AEM：低成本阻燃和穿梭效應(yīng)受限隔膜實現(xiàn)安全穩(wěn)定的鋰硫電池

鋰硫電池（LSB）具有超高的理論能量密度，但其較差的循環(huán)穩(wěn)定性和安全問題極大地限制了實際應(yīng)用的進展。

圖1.?Al@PP的設(shè)計原理和特性

香港理工大學鄭子劍、Qiyao Huang等報告了一種基于Al(OH)₃的低成本、簡單的商用隔膜改性方法，它可使電池具有出色的阻燃性和穩(wěn)定的循環(huán)性能。具體而言，這種改性是通過在隔膜的陰極側(cè)簡單地涂覆一層超薄復(fù)合層來實現(xiàn)的，該復(fù)合層主要由Al(OH)₃納米顆粒和導(dǎo)電碳組成。Al(OH)₃對路易斯基多硫化物具有很強的化學吸收能力，并通過高熱下的自分解機制實現(xiàn)出色的阻燃性能，而導(dǎo)電碳材料則起到頂部集流體的作用，防止多硫化物失活。

圖2.?Al(OH)₃與多硫化物的路易斯酸/堿相互作用

結(jié)果，采用Al(OH)₃改性隔膜的鋰硫電池在2 C條件下循環(huán)1000次中，每次循環(huán)的平均容量衰減極低（0.029%，1 C = 1600 mA g^-1）。此外，具出高能量密度（426 Wh kg^-1）的軟包電池也能穩(wěn)定地循環(huán)100次以上，且容量保持率較高（0.1 C，70.2%）。總體而言，這種Al(OH)₃改性策略的有效性和易用性將加快鋰硫電池的實際應(yīng)用進度。

圖3.?扣式和軟包電池性能

A Low-Cost Al(OH)3-Modified Fire-Retardant and Shuttle-Limiting Separator for Safe and Stable Lithium–Sulfur Batteries. Advanced Energy Materials 2023. DOI: 10.1002/aenm.202303063

4. 浙大陸俊AEM：界面雙配位效應(yīng)引導(dǎo)可逆鋅金屬陽極的均勻電沉積

鋅金屬陽極的長期可逆沉積/剝離是水系鋅離子電池（ZIB）的關(guān)鍵。然而，陽極/電解質(zhì)界面不受控制的電沉積和發(fā)生的副反應(yīng)限制了這一研究。

圖1.?材料表征

浙江大學陸俊等在金屬配位化學的指導(dǎo)下，提出將含有大量親鋅基團的有機化合物-二苯胺磺酸鈉（DASS）作為一種電解液添加劑，以引導(dǎo)穩(wěn)定的可逆鋅沉積。光譜表征和計算表明，鋅陽極電化學性能的提高應(yīng)歸因于DASS分子與鋅表面的化學吸附，而不是DASS對鋅離子溶劑化結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)，因為DASS分子中含有許多具有孤對電子的氮（N）原子和硫（S）原子，可使Zn原子與DASS之間產(chǎn)生強烈的配位效應(yīng)（Zn─N，Zn─S），并在Zn表面原位形成DASS吸附層。

這種DASS層能有效抑制Zn²⁺的二維擴散，促進Zn表面的三維擴散，從而抑制Zn的不均勻沉積和枝晶突起。此外，吸附的DASS層還能阻止H₂O與陽極的親密接觸，并占據(jù)活性H₂O分子的分解位點，從而抑制界面副反應(yīng)（HER、腐蝕和副產(chǎn)物等）。

圖2.?半電池性能

結(jié)果，在含DASS的電解液中監(jiān)測到對鋅金屬陽極的枝晶和副反應(yīng)有明顯的抑制作用。因此，含有0.02 m DASS的對稱電池在1 mA cm^-2（1 mAh cm^-2）條件下可穩(wěn)定循環(huán)2400小時，在20 mA cm^-2（20 mAh cm^-2）條件下可穩(wěn)定循環(huán)250小時，并且在5 mA cm^-2（5 mAh cm^-2）條件下具有卓越的可逆性，CE為99.44。

此外，Zn//VO₂全電池在1 A g^-1的條件下循環(huán)500次后容量保持率提高至68.9%。這項研究為在水系可充鋅離子電池中實現(xiàn)高可逆鋅金屬陽極的界面雙配位效應(yīng)提供了一個新的視角。

圖3.?全電池性能

Interfacial Double-Coordination Effect Guiding Uniform Electrodeposition for Reversible Zinc Metal Anode. Advanced Energy Materials 2023. DOI: 10.1002/aenm.202302770

5. 三單位AFM：基于MOF的選擇性離子傳輸層穩(wěn)定水系鋅離子電池

由于釩離子從陰極析出加速了腐蝕，以及鋅金屬陽極上枝晶的不均勻生長，水系鋅離子電池（陰極為氧化釩）的實際應(yīng)用受到了限制。

圖1.?MOF-801納米粒子及選擇性離子傳輸層的表征

韓國嶺南大學Kwang-Soon Ahn、高麗大學Seung-Ho Yu、首爾大學Yung-Eun Sung等基于電解液中水合鋅離子（4.30 ?）和釩離子（8.34 ?）之間的尺寸差異，在鋅箔上均勻涂覆了MOF-801納米粒子（孔徑為6.0 ?），以形成選擇性離子傳輸層。

研究顯示，選擇性離子傳輸層產(chǎn)生的均勻鋅離子通量可使水合鋅離子均勻傳輸并促進鋅的均勻沉積，從而使對稱電池具有低過電位（17.4 mV）和高循環(huán)穩(wěn)定性（1000 h）。此外，選擇性離子傳輸層的孔隙小于釩離子，阻止了釩離子向鋅陽極的遷移，從而減少了對鋅陽極的腐蝕。

圖2.?原位界面觀察

另外，選擇性離子傳輸層上存在較大的孔隙，這有利于鋅離子的均勻流動，從而使鋅沉積平滑均勻，不會產(chǎn)生鋅枝晶。這種有益的效果導(dǎo)致了對稱電池在1.0 mA cm^?2、1.0 Ahcm^?2條件1000 h和在35%放電深度（DOD）條件下700 h的優(yōu)異循環(huán)穩(wěn)定性。因此，水系鋅離子電池表現(xiàn)出顯著的循環(huán)穩(wěn)定性，全電池在5.0 A g^?1的條件下，2000次循環(huán)后仍保持86%的容量。

圖3.?全電池性能

Selective Ion Transport Layer for Stable Aqueous Zinc-Ion Batteries. Advanced Functional Materials 2023. DOI: 10.1002/adfm.202310884

6. 松山湖實驗室王欣Angew：沸石基隔膜抑制陰極活性材料溶解，獲得耐用水系鋅電池

水系鋅電池因其安全性和低成本而成為前景廣闊的儲能設(shè)備。然而，它們也面臨著陽極枝晶形成和陰極化合物溶解等挑戰(zhàn)。

圖1.?Zn/V電池面臨的挑戰(zhàn)以及所制備的隔膜的工作機制示意圖

松山湖材料實驗室王欣等設(shè)計了一種雙功能隔膜，以應(yīng)對鋅/釩電池系統(tǒng)中釩離子溶解和枝晶生長所帶來的挑戰(zhàn)。具體而言，作者通過在海藻酸鈉（SA）聚合物膜上原位生長沸石材料（ZIF），合成了一種聚合物基質(zhì)沸石隔膜（簡稱 SZ）。之所以選擇海藻酸鈉作為基底膜，主要是因為海藻酸鈉的羧酸基團可與Zn²⁺通過離子交聯(lián)作用發(fā)生強絡(luò)合反應(yīng)，從而合成SZ。因此，這種絡(luò)合Zn²⁺可作為ZIF在海藻酸鈉基底上完全均勻、安全生長的源泉，從而生產(chǎn)出一種具有高Zn²⁺遷移數(shù)、良好的電解液吸收能力和出色的機械性能的堅固電解質(zhì)型隔膜。

密度泛函理論（DFT）計算表明，SZ上的N原子能通過絡(luò)合作用有效固定V離子，形成離子屏障，有利于抑制V的溶出和穿梭，從而減少ZVO的生成。此外，N原子與Zn²⁺之間的相互作用有助于Zn²⁺在陽極表面的重新分布，從而減少枝晶的生長。

圖2.?SZ電池的電化學性能

結(jié)果，這種雙功能隔膜使Zn/V全電池能夠在15 A g^-1的高電流密度下提供188 mAh g^-1的高充電比容量，同時顯著提高對稱電池的壽命，使其超過2500小時，并具有抑制枝晶生長的能力。

有趣的是，如果在組裝電池前將SZ浸入V溶液中，人為地在SZ上構(gòu)建離子屏障，則電池的循環(huán)性能會進一步提高。Zn/V全電池可以在5 A g^-1的條件下穩(wěn)定運行1000次，容量損失僅為5.4%。這些結(jié)果強調(diào)，當使用可溶性陰極材料時，將相應(yīng)的離子結(jié)合到隔膜上可以極大地抑制活性材料的溶解，從而顯著提高電化學性能。

圖3.?SZ在Zn/V電池中的作用機制分析

Preventing Dissolution of Cathode Active Materials by Ion-anchoring Zeolite-based Separators for Durable Aqueous Zinc Batteries. Angewandte Chemie International Edition 2023. DOI: 10.1002/anie.202315464

7. 清華徐盛明/中南楊越Nano Energy：從廢舊鋰離子電池中直接再生高性能正極材料

從廢舊鋰離子電池中直接再生陰極材料是一種高效的方法，但存在難以精確補鋰的問題，這會導(dǎo)致再生材料性能不佳。

圖1.?溶熱策略的示意

清華大學徐盛明、中南大學楊越等開發(fā)了一種以乙醇為溶劑的溶熱策略，用于廢舊NCM的再生。具體而言，將廢舊LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂陰極材料（S-NCM523）與LiNO₃的飽和乙醇溶液混合，然后在封閉的反應(yīng)器中加熱進行鋰化反應(yīng)。鋰化后得到的固體粉末在氧氣環(huán)境中經(jīng)過850℃的熱退火處理，可得到直接再生材料。

與現(xiàn)有的水熱法相比，這種溶熱法有以下創(chuàng)新之處：首先，鋰在乙醇中的溶解度低于在水中的溶解度，可抑制鋰的反向溶解，使補鋰更精確，從而使再生正極材料的性能優(yōu)于水熱法補鋰。此外，乙醇的沸點低，有利于創(chuàng)造滿足鋰嵌入的高壓環(huán)境（<150℃），因此能耗低于水熱法。

圖2.?再生材料的電化學性能研究

因此，溶熱法的引入和創(chuàng)新將改善水熱法的缺點，并提高修復(fù)材料的質(zhì)量。結(jié)果，鋰可以被精確地補充到缺失的位點，再生材料恢復(fù)了穩(wěn)定的層狀結(jié)構(gòu)，具有極佳的循環(huán)性（在1 C下循環(huán)560次后容量保持率為90.23%）。由于溶劑循環(huán)和較低的再鋰化溫度，再生過程能耗低、二氧化碳排放量少且利潤高，這項工作為從廢舊鋰離子電池中直接再生高性能正極材料提供了一條前景廣闊的途徑。

圖3.?溶劑熱回收法的經(jīng)濟性分析

Solvothermal Strategy for Direct Regeneration of High-Performance Cathode Materials from Spent Lithium-ion Battery. Nano Energy 2023. DOI: 10.1016/j.nanoen.2023.109145

8. 南開張凱/港城大徐吉健NML：低溫鋰金屬電池電解液設(shè)計：挑戰(zhàn)與展望

電解液設(shè)計是開發(fā)能夠在零度以下工作的電池的最大機遇。為了使電池在低溫條件下儲存較多的能量，電解液化學的改進需要與優(yōu)化的電極材料和定制的電解液/電極界面相結(jié)合。

圖1.?陽極側(cè)充電過程中Li⁺傳輸?shù)氖疽庖约安煌琇i+傳輸步驟對應(yīng)的能壘

南開大學張凱、香港城市大學徐吉健等批判性地概述了影響鋰金屬電池低溫性能的電解液限制因素，其中包括離子電導(dǎo)率降低、去溶劑化能較大、電荷轉(zhuǎn)移遲緩以及電解質(zhì)/電極界面的鋰離子傳輸緩慢等。

為了加深理解，這項工作介紹了詳細的理論推導(dǎo)，解釋了溫度對電池性能的明確影響。然后，作者從電解液設(shè)計和電解液/電極界面工程兩方面總結(jié)并嚴格比較了新出現(xiàn)的改進策略。最后，該工作提出了未來研究的展望，以指導(dǎo)人們不斷探索更好的低溫鋰金屬電池。

圖2.?三種不同鋰鹽在鋰金屬表面形成的SEI層的示意

作者通過分析基本的Li⁺傳輸步驟，總結(jié)了導(dǎo)致鋰金屬電池低溫性能不佳的因素：（1）體相電解液電導(dǎo)率低；（2）去溶劑化能較高；（3）SEI中Li⁺遷移緩慢。為了解決這些限制步驟，這項工作從電解液設(shè)計的角度總結(jié)了新出現(xiàn)的策略：（i）采用高解離鋰鹽來提高體離子電導(dǎo)率；（ii）定制溶劑化結(jié)構(gòu)以最大限度地降低溶劑化能；（iii）構(gòu)建可實現(xiàn)快速Li⁺傳輸?shù)姆€(wěn)健SEI。

近幾十年來，低溫LMB的研究盡管取得了很大進展，但仍有一些挑戰(zhàn)有待探索：（1）要降低電荷轉(zhuǎn)移的阻抗，就必須揭示Li⁺溶劑化結(jié)構(gòu)的秘密。圍繞Li⁺溶劑化結(jié)構(gòu)的環(huán)境（如離子對和溶劑-陰離子相互作用）對去溶劑化過程的影響尚不十分清楚。（2）探索SEI與電池性能之間的關(guān)系非常重要。了解SEI的有機和無機成分的作用可以指導(dǎo)電解液的設(shè)計，從而形成所需的SEI。研究富含LiF的SEI為何具有良好的離子傳輸性能可能是解決這一問題的突破口。（3）對某一方面的追求往往會忽略另一方面，例如，低去溶劑化能的電解液可能具有低電導(dǎo)率。（4）盡管取得了一些進展，但低溫鋰金屬電池的實用性仍面臨挑戰(zhàn)。在實際應(yīng)用中，需要解決一系列問題，包括安全性、穩(wěn)定性、成本效益和可擴展性。為獲得長壽命、快充放和高能量密度的電池，尋找最佳解決方案需要系統(tǒng)思維。經(jīng)過不懈努力，寬溫LMB快速發(fā)展的時代即將到來。

圖3.?弱Li⁺-溶劑相互作用在低溫電池中的應(yīng)用

Electrolyte Design for Low-Temperature Li-Metal Batteries: Challenges and Prospects. Nano-Micro Letters 2023. DOI: 10.1007/s40820-023-01245-9