1. Energy & Environmental Science：溴化物不易燃電解質用于安全、長壽命鈉金屬電池
鈉金屬電池(SMBs)由于其豐富的鈉含量和高的重量容量而成為最有前途的儲能技術之一。然而，SMB的安全應用受到活性金屬鈉和高度易燃電解質的阻礙（例如不可控枝晶生長、氣體和火災問題）。
在此，香港中文大學盧怡君團隊報告了一種新型溴基不易燃電解液，用于金屬鈉電池，該電解液使用阻燃的 2-溴-1-（2-溴乙氧基）乙烷（BBE）溶劑。由于自由基清除劑解離的能壘較低，這種溶劑不僅比典型的 P、Cl、F 基不易燃溶劑具有更高的阻燃性，而且還衍生出一種含有 NaBr 的固態電解質界面 (SEI)，具有較高的離子傳導性，可抑制鈉枝晶和氣化問題。
基于 BBE 的電解質延長了Na3V2(PO4)3/Na 電池的循環壽命（80% 容量保持率），從傳統電解質的 60 次循環延長到 1500 次循環，并保證了 Na/Na 對稱電池 1400 小時的穩定循環。研究人員進一步展示了一種鈉金屬軟包電池，在 1C 下循環 264 次后，容量保持率達到 97.9%。
圖1. 溴基不易燃電解質的基本特性
總之，該工作利用易解離和有效終止的溴化物清除劑，開發出了一種溴基不易燃電解液。與其他類別的清除劑（包括 F、P、Cl 類阻燃劑）相比，溴系清除劑顯示出更高效的阻燃能力。
此外，從電解質中衍生出的含 NaBr 的固體電解質界面可以促進鈉離子的傳輸，從而有助于抑制枝晶的生長和產氣問題。在使用 100 μm鈉金屬負極的軟包電池中，也證明了這種電解質的升級潛力。這種基于溴化物的不易燃電解質設計為安全、長壽命鈉金屬電池的阻燃溶劑開辟了一條新的道路。
圖2. 金屬鈉軟包電池演示
Bromide-based nonflammable electrolyte for safe and long-life sodium metal batteries, Energy & Environmental Science 2023 DOI: 10.1039/d3ee03332e
2. Angewandte Chemie International Edition：極端工作條件下鋰-硫電池的部分離子對溶劑化結構設計
在極端工作條件下提高能量密度仍然是充電電池面臨的一大挑戰。在此，加州大學圣地亞哥分校陳政團隊展示了一種全氟酯類電解質，由部分氟化的羧酸酯和碳酸酯組成。這種電解質具有耐高溫的物理化學特性和適度的離子對溶解，從而在單一電解質中形成了一半溶劑分離離子對和一半接觸離子對。因此，在不影響離子電導率（即使在 -40 ℃ 時也大于 1 mS cm-1）的情況下，實現了以 LiF 為主的界面陰離子/含氟助溶劑的去溶劑化和優先還原。
研究發現，即使在極端工作條件下，這些優勢特性也適用于鋰金屬電極和硫電極，從而使具有高 SPAN 負載（> 3.5 mAh cm-2）和薄鋰負極（50 μm）的鋰-硫化聚丙烯腈（SPAN）全電池能夠在 -40、23 和 50 ℃ 下穩定循環。
圖1. 電解質設計
總之，該工作開發出了一種全氟酯類電解質，其中包括部分氟化的羧酸酯和碳酸酯，適用于在極端溫度下運行的高面載Li-S 全電池。研究表明，與不含氟的同類電解質相比，部分含氟的羧酸酯和碳酸酯溶劑體系中的Li+/陰離子和Li+/氟化共溶劑結合力更強。這種具有半陽離子/陰離子對的全氟化電解質，即使在很寬的溫度范圍內，也能在不影響離子導電性的情況下，實現輕松去溶劑化和以 LiF為主導的界面。
因此，該項工作為優化未來的電化學裝置確立了新的設計原則，使其在寬溫度范圍內具有可調的鹽解離和溶劑去溶劑化特性。同時它還為設計耐高溫電解質提供了一條可行的途徑，以支持在極端條件下工作的高能量密度充電電池。
圖2. 極端條件下的全電池測試
Partially Ion-Paired Solvation Structure Design for Lithium-Sulfur Batteries under Extreme Operating Conditions, Angewandte Chemie International Edition 2023 DOI: 10.1002/anie.202316786
3. ACS Nano：用于無枝晶柔性鋁有機電池的MXene基混合導體界面
鋁電池因其低成本和高理論容量而成為大規模儲能應用有前景的電池技術。然而，阻礙其發展的挑戰之一是鋁金屬負極的電鍍/剝離效果不理想。
在此，復旦大學余學斌團隊在室溫下通過原位化學反應在鋁表面構建了一層超薄的MXene膜。制備的柔性MXene膜具有高離子導電性和高機械柔韌性。在鋁/鋁電池 50 mA cm-2 的超高電流密度下，MXene 賦予鋁負極超過 5000 小時的長循環壽命；在 355 Wh kg-1 PTO//Al 電池中，MXene 可在 200 次循環中保持 100% 的壽命。
圖1. DFT計算
總之，該工作介紹了一種新興的原位 MXene 薄膜概念，通過簡單的自發反應保護鋁金屬負極。即使在 50 mA cm-2 的高電流密度下也能防止枝晶的形成，從而使柔性 PTO//Al 全電池的能量密度高達 355 Wh kg-1，使用壽命長達 200 個循環。
優異的電化學性能源于 MXene 薄膜的高離子傳導性和出色的機械柔韌性，這確保了鋁金屬負極的穩定和高效運行。這種在鋁金屬負極上設計保護層的創新方法為開發安全、高能量的鋁金屬儲能系統提供了一種前景廣闊的解決方案。
圖2. 電池性能
MXene-Based Mixed Conductor Interphase for Dendrite-Free Flexible Al Organic Battery, ACS Nano 2023 DOI: 10.1021/acsnano.3c07611
4. Advanced Functional Materials：體相晶界調節實現了可充電水系鋅離子電池的高可逆性鋅負極
鋅負極的枝晶和副反應嚴重限制了水系鋅基電池在電網規模儲能中的應用。雖然表面/界面改性策略在改善鋅負極的可逆性方面取得了一些進展，但仍不足以從晶相角度解決整體調節和內在機制問題。
在此，天津大學胡文彬，韓曉鵬等人介紹了一種基于粉末冶金法的體相復合 Zn/CNTs 負極。得益于晶界工程對局部電導率、電場分布和鋅原子吸收能的調控，Zn/CNTs 負極在鋅剝離/沉積循環過程中有效抑制了枝晶的生長并增強了耐腐蝕性。配備 Zn/CNT4 負極的對稱電池具有更高的循環穩定性，電壓滯后極小（僅為 22 mV）。此外，將 Zn/CNT4 與商用 MnO2 結合在一起的全電池在循環 500 小時后顯示出卓越的倍率性能和比電容保持率。
圖2. 鋅沉積抑制枝晶策略的機理分析
總之，該工作提出了一種優化的體相策略，通過對晶界局部微環境的工程化處理來實現鋅的高度可逆沉積，這與傳統的鋅負極表面和界面控制方法截然不同。利用粉末冶金技術，作者成功合成了CNTs均勻分布在鋅晶界的Zn/CNTs體相復合負極材料。與商用鋅箔相比，體相復合 Zn/CNTs 負極在鋅剝離/沉積過程中具有更好的抑制枝晶和耐腐蝕性能。
研究表明，CNTs 在晶界中的富集導致了良好的局部導電性、均勻的電場分布以及晶界上均勻的鋅原子吸收能。得益于Zn/CNTs體相復合負極的獨特優勢，采用Zn/CNT4負極的對稱電池具有長期循環壽命，電壓滯后低至≈22 mV，而采用Zn/CNT4和商用MnO2配置的全電池在循環500 h后具有最佳的倍率性能和比電容保持率。這種鋅負極的體相優化策略以及對晶界工程的基本理解，為設計高度可逆和穩定的鋅金屬負極開辟了一條可行的途徑，也可將其推廣到其他金屬負極。
圖2. 電池性能
Bulk-Phase Grain Boundaries Regulation Enables Highly Reversible Zn Anodes for Rechargeable Aqueous Zn-Ion Batteries, Advanced Functional Materials 2023 DOI: 10.1002/adfm.202312469
5. Angewandte Chemie International Edition：氟化固態電解質界面層引導水系鋅電池中鋅離子均勻沉積
鋅離子水電池因其高能量密度和環保性而越來越受歡迎。然而，鋅離子在負極上的隨機沉積和鋅離子在界面上的緩慢遷移會導致鋅枝晶的生長和較差的循環性能。
在此，福州大學湯育欣團隊通過原位離子交換策略開發了由 Ca5(PO4)3F/Zn3(PO4)2 組成的氟化固態電解質界面層，以引導鋅離子定向沉積和快速鋅離子遷移。其中 Ca5(PO4)3F/Zn3(PO4)2的引入可以增加鋅離子的成核位點，引導鋅離子沿(002)晶面定向沉積，而循環過程中原位形成Zn3(PO4)2可以加速鋅離子的遷移。
因此，基于FAP保護的鋅負極（FAP-Zn）組裝的Zn//V2O5?H2O電池實現了84%（220 mAh g-1）的高容量保持率， 800 次循環后，3.0 A g-1 下的容量保持率為 23% (97 mAh g-1)。
圖1. DFT計算
總之，該工作開發了一種原位離子交換策略，以構建含氟固態電解質界面層，從而在循環過程中引導鋅負極上鋅離子的快速定向沉積。此外，在循環過程中形成的 Zn3(PO4)2 可以加速 Zn2+ 的遷移。因此，組裝后的 FAP-Zn對稱電池可在 0.5 mA cm-2/0.5 mAh cm-2 下穩定循環 2200 h，FAP-Cu//Zn 電池的庫侖效率高達 99.85%。
同時，在 2.0 A g-1 下循環 250 次后，FAP-Zn/a-MnO2 電池的容量可達 185 mAh g-1，容量保持率為 82%；在 3.0 A g-1 下循環 800 次后，FAPZn/V2O5-H2O 電池的容量可達 220 mAh g-1，容量保持率為 84%。因此，該工作為同時引導鋅離子的沉積和加速鋅離子在界面上的遷移實現高度可逆的鋅金屬電極提供了新的見解。
圖2. 電池性能
A Fluorinated Solid-state-electrolyte Interface Layer Guiding Fast Zinc-ion Oriented Deposition in Aqueous Zinc-ion Batteries, Angewandte Chemie International Edition 2023 DOI: 10.1002/anie.202316904
6. Journal of the American Chemical Society：基于有機多孔材料納米限域作用的可充電鋰-氯電池
可充電氯化鋰電池因其超高的能量密度和卓越的安全性能而被公認為有潛力的儲能電池。然而，由于在氧化還原反應過程中 Cl2 供應遲緩且不足，氯化鋰電池在高比循環容量下存在循環壽命短和庫侖效率（CE）低的問題。
在此，中國科學技術大學陳維團隊提出并設計了一種亞胺功能化多孔有機納米籠（POC）來富集 Cl2 分子。DFT計算表明，宿主籠中的亞胺基團位點能與 Cl2 分子產生強烈的相互作用，從而促進 Cl2 的快速捕獲。因此，使用 POC 的氯化鋰電池（Li-Cl2@POC）的輸出容量顯著提高，在 CE ～ 100% 的條件下實現了 4000 mAh/g 的超高放電容量。
得益于所設計的 POC，Li-Cl2@POC 電池中沉積的氯化鋰在第一個循環中的最高利用率高達 85%，優于所有報告值。即使在低溫條件下，Li-Cl2@POC電池也能表現出優異的電化學性能，在 -20 °C 條件下，電池容量為 2000 mAh/g，穩定循環 200 次，電壓穩定在 3.5 V，平均 CE 為 99.7%。
圖1. Li-Cl2@POC電池在高循環比容量下的電化學性能
總之，該工作設計了一種具有豐富結合位點的 CC3-POC 正極材料，用于可充電的鋰-氯電池，以限制 Cl2 分子。DFT 計算表明亞胺基團對 Cl2 分子的富集作用，而且 CC3-POC 結構穩定，有利于 Cl2 的富集。得益于所設計的 CC3-POC，鋰-氯電池的放電容量顯著提高至 4000 mAh/g，CE 保持在 100%以上，遠遠超過了已報道的應用于鋰-氯電池的正極材料。
此外，Li-Cl2@POC 電池在 -20 °C 下的比容量達到了 2000 mAh/g，循環穩定性極佳（大于 200 次）。因此，該種新型功能性多孔正極材料的設計拓寬了用于構建高性能氯化鋰電池系統的正極材料系列。
圖2. Li-Cl2@POC 軟包電池性能
Enrichment of Chlorine in Porous Organic Nanocages for High-Performance Rechargeable Lithium–Chlorine Batteries, Journal of the American Chemical Society 2023 DOI: 10.1021/jacs.3c11726
7. ACS Nano：陽離子溶劑重組和氟化中間相的協同作用實現鋅金屬負極的高可逆性
鋅金屬電池因其安全性、成本效益和環境友好性，為大規模應用提供了巨大的機遇。然而，由于與水有關的鈍化/腐蝕，鋅的可逆性差和不均勻電沉積大大阻礙了其實際應用。
在此，日本筑波大學Eunjoo Yoo 、Huijun Yang等人提出了一種包含γ-丁內酯（GBL）和Zn(BF4)2·xH2O的多功能電解質。研究表明，通過使 GBL 溶劑進入Zn2+溶劑化殼并通過陰離子分解在 Zn 負極表面構建氟化界面，可以最大程度地減少水對 Zn 負極的反應性。
此外，選擇核磁共振作為輔助測試方案，以提升和了解電解質成分在構建界面中的作用。材料的協同作用保證了高鋅可逆性（平均庫侖效率為99.74%）、高面積容量（55 mAh/cm2）和高鋅利用率（～91%）。因此，使用 VO2 正極的鋅電池能夠平穩運行超過 5000 個周期，每個周期的容量衰減率約為 0.0083%。此外，0.23 Ah VO2/Zn 軟包電池能夠運行超過 400 個周期，容量保持率為77.3%。
圖1. 作用機制
總之，該工作證明了調控陽離子和氟化界面相的協同作用以提高鋅電池的性能。該配方保證了鋅金屬的長期循環(平均CE為99.74%，循環壽命延長到600次)。同時，獲得了致密無枝晶的鋅沉積，具有高面積容量(55 mAh/cm2)和91%的鋅利用率。結合優化的Zn2+溶劑化殼層和富ZnF2層的優勢，VO2/Zn電池在循環穩定性方面有顯著改善(容量衰減率為每循環約0.0083%，超過5000次循環)。
同時，GF電解液使0.23 Ah的VO2/Zn軟包電池表現出400次循環的穩定循環壽命，并獲得77.3%的高容量保持率。因此，該項工作提出了一個新型電解質設計方案，強調了調節電解質結構和建立氟化界面對未來鋅電池應用的好處。
圖2. 電池性能
Synergistic Cation Solvation Reorganization and Fluorinated Interphase for High Reversibility and Utilization of Zinc Metal Anode, ACS Nano 2023 DOI: 10.1021/acsnano.3c08749
8. Energy & Environmental Science：雙金屬位點與相鄰Fe納米團簇的電子協同作用實現高效氧電催化
具有 M-N4 構型的單原子催化劑在氧電催化方面大有可為，因此受到了廣泛的研究。然而，它們在鋅-空氣電池中的實際應用仍然受到較差的活性和耐久性阻礙。
在此，武漢理工大學麥立強團隊通過簡單地熱解金屬酞菁和N摻雜的碳前驅體，開發出了一種含有 Fe 納米簇的雙金屬單原子 NiFe-N-C 催化劑。研究表明，Ni-N4 和 Fe-N4 配位結構以及相鄰耦合鐵納米團簇的共存和電子協同作用，調節了催化活性位點的電子結構，優化了它們對含氧中間產物的吸附/解吸，加速了反應動力學，降低了氧電催化的能量勢壘。
因此，NiFe-N-C 具有競爭性的氧催化/還原反應（OER/ORR）活性和耐久性，?E 為 0.68 V，E1/2 和 Ej10 在 50 000 和 90 000 電位循環后的衰減可忽略不計。此外，基于 NiFe-N-C 電催化劑的鋅-空氣電池具有高功率密度、高比放電容量和超長壽命。
圖1. 電化學性能
總之，該工作設計并合成了一種具有Ni-N4和Fe-N4位的雙金屬單原子NiFe-N-C催化劑。研究表明，NiFe-N-C中的Fe納米團簇和Ni-N4以及Fe-N4活性位點的電子協同作用優化了含氧中間體，降低氧電催化的能壘。因此，它表現出優異的雙功能OER/ORR性能與超小?E=0.68 V。
此外，以NiFe-N-C電催化劑為空氣正極的可充鋅空氣電池在251 mA cm-2的電流密度下表現出153 mW cm-3的高功率密度，在10 mAcm-2的電流密度下具有818 mAh g-1的高比放電容量，以及在10 mAcm-2的電流密度下具有750h的超長循環壽命。因此，該工作為OER/ORR過程中金屬納米簇和單原子位點的協同電子調節提供了新的見解，并激發了高效雙功能氧電催化劑的合理設計。
圖2. 電池性能
Optimizing Electronic Synergy of Atomically Dispersed Dual-Metal Ni-N4 and Fe-N4 Sites with Adjacent Fe Nanoclusters for High-efficiency Oxygen Electrocatalysis, Energy & Environmental Science 2023 DOI: 10.1039/d3ee03383j
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