1. 天大胡文彬/丁佳/王浩志Nat. Commun.：優化用于高性能鉀硫電池的多硫化鉀

鉀硫電池作為高能量、低成本的儲能系統備受關注，但實現硫的高利用率和長期循環仍具有挑戰性。

圖1. 硫宿主設計的理論指導和篩選

天津大學胡文彬、丁佳、王浩志等采用了協同促進多硫化鉀（KPSs）遷移和催化KPSs轉化的策略來制備高性能鉀硫電池。基于理論篩選和復雜的合成過程，這項工作制備了含有單原子鎢（WSA）和碳化鎢（W₂C）復合材料的摻氮碳（NC）作為硫宿主。綜合實驗分析和理論計算顯示，WSA物種優化了W₂C物種對固態 KPSs轉化的催化能力（更易于K₂S解離），并加速了催化位點附近的KPSs遷移（降低了K₂S/K₂S₂擴散的能量勢壘）。

圖2.?材料合成及表征

因此，與不含WSA的W₂C@NC/S和不含鎢的NC/S相比，WSA-W₂C@NC/S 陰極的絕緣硫化物積累和催化能力不佳現象得到了有效緩解，從而實現了超高的硫利用率、高效率的硫氧化還原以及長周期的穩定性。這種電池的硫利用率為89.8%（1504 mAh g^-1），具有卓越的倍率能力（1675 mA g^-1時為1059 mAh g^-1），并可循環使用200次。經過驗證的KPSs遷移加速和轉化催化雙功能硫宿主策略為開發高性能鉀硫電池帶來了更多可能性。

圖3.?電化學性能及硫氧化還原反應機制

Optimizing potassium polysulfides for high performance potassium-sulfur batteries. Nature Communications 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-45405-w

2. 中科大/溫大/蘭大Adv. Sci.：高耐濕性氯化物固態電解質

鹵化物固態電解質（SSEs）為全固態鋰電池（ASSLBs）的商業化帶來了希望；然而，目前具有成本效益的鋯基氯化物固態電解質存在吸濕不可逆、離子電導率低和熱穩定性不足等問題。

圖1.?晶體結構和離子導電性表征

中科大馬騁、溫州大學許杰、蘭州大學王凱等制備了一種新型的摻銦氯化鋯，以滿足上述要求，從而在室溫下獲得性能優異的 ASSLB。與傳統的Li₂ZrCl₆和Li₃InCl₆固態電解質相比，hc-Li_2+xZr_1-xIn_xCl₆（0.3 ≤ x ≤ 1）具有更高的離子電導率（高達1.4 mS cm^-1）和熱穩定性（350℃）。同時，hc-Li_2.8Zr_0.2In_0.8Cl₆還表現出明顯的吸濕可逆性，在5%的相對濕度下暴露24小時后再進行熱處理，其離子導電率的恢復率高達82.5%。

圖2.?Li-In│LPSCl│hc-Li_2.8Zr_0.2In_0.8Cl₆│scNMC811電池性能

理論計算和實驗結果表明，這些優點源于晶格膨脹和Li₃InCl₆·2H₂O水合物的形成，它們能有效降低鋰離子的遷移能壘，并提供可逆的水合/脫水途徑。最后，采用濕度暴露后重新加熱的Li_2.8Zr_0.2In_0.8Cl₆、單晶LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2和鋰銦合金組裝的ASSLB在25℃、1 C條件下循環500次后顯示出71%的容量保持率。這種新型高耐濕性氯化物電解質有望極大地推動ASSLBs的產業化。

圖3.?電解質的耐濕性研究

High-Humidity-Tolerant Chloride Solid-State Electrolyte for All-Solid-State Lithium Batteries. Advanced Science 2024. DOI: 10.1002/advs.202305394

3. 武大周金平NML：可持續雙交聯纖維素水凝膠電解質實現高性能鋅金屬電池

水系可充鋅金屬電池（ARZBs）被認為是電網規模能源存儲最有前景的候選電池之一。然而，其廣泛的商業應用在很大程度上受到三大挑戰的困擾：無法控制的鋅枝晶、臭名昭著的寄生副反應以及緩慢的Zn²⁺離子轉移。

圖1.?DCZ-凝膠電解質設計

武漢大學周金平等設計了一種含有三氟甲基磺酸鋅[Zn(OTf)₂]鹽的雙交聯（DC）纖維素水凝膠電解質（簡稱DCZ-凝膠），該電解質是采用化學和物理交聯順序策略，從纖維素/堿金屬氫氧化物/尿素水溶液中制備而成。獨特的直流網絡使水凝膠電解質具有出色的機械強度（2.08Mpa，145%）和豐富的多孔網絡，離子傳輸能力達到38.6 mS cm^-1。Zn²⁺離子與纖維素鏈上的-OH基團之間的相互作用可以調節[Zn(H₂O)₆]²⁺ 的溶劑化結構。

圖2.?半電池性能

綜合實驗結果和理論計算，DCZ-凝膠電解質可有效抑制枝晶的生長和副反應，從而獲得穩定的鋅陽極。因此，使用DCZ-凝膠電解質的Zn||Zn電池可在10 mA cm^-2的高電流密度下穩定循環400小時以上。

此外，DCZ-凝膠電解質還能使Zn||聚苯胺電池實現高倍率和長期循環性能（在2000 mA g^-1下大于2000次循環）。值得注意的是，該水凝膠電解質易于獲得和生物降解，這使得ARZBs在可擴展性和可持續性方面具有吸引力。

圖3.?Zn||PANI電池性能

A Sustainable Dual Cross-Linked Cellulose Hydrogel Electrolyte for High-Performance Zinc-Metal Batteries. Nano-Micro Letters 2024. DOI: 10.1007/s40820-024-01329-0

4. 武大付磊/曾夢琪Matter：基于超潤濕液態金屬界面的高耐用固態鋰電池

以鋰金屬陽極為特征的固態電池（SSBs）的出現預示著電氣化運輸的重大機遇，它具有更高的安全性和顯著的能量密度。然而，固態電解質固有的疏鋰特性會在固態電解質與鋰金屬之間的界面上產生不可避免的空位和空洞，從而導致明顯的局部電流累積和枝晶的形成。

圖1.?自建超潤濕界面實現均勻鋰沉積的策略

武漢大學付磊、曾夢琪等提出了一種基于液態金屬在固態電解質和鋰陽極之間構建超潤濕界面的策略，從而提供連續、均勻的鋰離子傳輸通道。超潤濕界面是通過利用液態金屬（鎵 [Ga]）在高溫下的熱運動來實現的，這有利于液態金屬與固態電解質形成結合。這一過程有效地占據了固態電解質表面的空隙。

此外，值得注意的是，液態金屬具有親鋰特性，在這種情況下會導致固態電解質轉變為親鋰狀態。鎵的熔點較低，僅為29.8℃，而且粘度較低，因此具有與鋰金屬自發形成合金的能力。這種合金現象有助于鋰無縫地分散到固態電解質中。在這方面，固態電解質與鋰金屬之間的相互作用表現出強大的親和力，從而達到超潤濕狀態。這樣就建立了無縫的親密接觸，在原子層面上沒有空位或空洞。這促進了Li⁺在界面上的擴散，確保了鋰的均勻沉積。

圖2.?通過超潤濕界面實現穩定的鋰沉積/剝離

此外，自生成的合金界面層的離子擴散系數較高，在隨后的鋰沉積/剝離過程中可減輕空隙膨脹。利用液態金屬引入的超潤濕界面，界面阻抗降低到 29.2 Ω cm^-2，在環境條件下，0.1 mA cm^-2的SSB可實現超過7,200小時的長循環壽命。

即使在1 mA cm^-2的高電流密度下，它仍能在60℃溫度下保持640小時的良好長期穩定性。當與磷酸鐵鋰（LFP）結合使用時，組裝的全電池在0.2C下可進行超過280次可逆循環，每圈平均容量衰減率小于0.05%。這顯示了這種方法在SSBs中實現高度穩定和理想倍率性能的巨大潛力。

圖3.?全電池性能

Ultra-wettable liquid metal interface for highly durable solid-state lithium batteries. Matter 2024. DOI: 10.1016/j.matt.2024.01.010

5. 鄭州大學付永柱/唐帥JACS：弱溶劑化溶劑協同作用下的超低溫鈉金屬電池

低離子電導率和高去溶劑化勢壘是可充金屬電池中有機電解液面臨的主要挑戰，尤其是在低溫條件下。一般的策略是將強溶劑化溶劑和弱溶劑化溶劑結合起來，以獲得平衡的物理化學特性。然而，上述兩個難題無法同時克服。

圖1.?電解液設計策略示意

鄭州大學付永柱、唐帥等提出了一種將兩種醚基溶劑（弱溶劑化溶劑THF和2-甲基四氫呋喃 (MeTHF)）混合使用的策略，從而獲得一種具有極低去溶劑化能的電解也。同時，這兩種弱溶劑化溶劑可以降低局部有序結構，從而提高離子導電性。結果，混合溶劑最終會促使生成的電解液在低溫下具有比單獨溶劑更高的離子電導率。因此，兩種弱溶劑化溶劑之間的協同作用打破了單個溶劑折衷的一般策略的限制，可同時實現高離子電導率和低去溶劑化能。

圖2.?Na||Na對稱電池性能

實驗顯示，采用該電解液的鈉金屬陽極可在-40℃下以2 mA cm^-2的電流循環1000小時，并顯示出極低的過電位。此外，基于Na₃V₂(PO₄)₃陰極的鈉金屬電池可在-40℃下循環300次，容量保持率達86%，所獲得的電化學性能優于之前報道的大多數結果。這項研究為低溫堿金屬電池電解液的設計提供了一條新途徑。

圖3.?全電池性能

An Ultrastable Low-Temperature Na Metal Battery Enabled by Synergy between Weakly Solvating Solvents. Journal of the American Chemical Society 2024. DOI: 10.1021/jacs.3c11134

6. 暨南大學王子奇AM：一種可穩定鋰金屬電池的富氟固態電解質

構建具有理想穩健性和均勻性的最佳SEI是實現高性能鋰金屬電池的實用途徑。

圖1.?SLE設計

暨南大學王子奇、阿貢國家實驗室Tongchao Liu、Khalil Amine等提出了一種富含氟化物的類固態電解質（SLE），它結合了固態電解質和液態電解質的優點。其獨特的三氟酯基團增強框架通道有助于形成富含無機物的固體電解質功能相（SEI），這不僅提高了鋰陽極的可逆性和界面電荷轉移，還確保了鋰的均勻、緊湊沉積。

此外，這些三酸酯基團有助于Li⁺的解耦，并為Li⁺的快速傳輸提供了跳躍位點，從而使其室溫離子電導率高達1.1 mS cm^-1，活化能低至0.17eV，可與傳統液態電解液相媲美。

圖2.?SEI分析

因此，使用這種SLE的鋰對稱電池可在0.5 mA cm^-2的條件下實現超過3500小時的極其穩定的沉積/剝離循環，并支持高達2.0 mA cm^-2的高臨界電流。組裝的準固態Li||LiFePO₄電池在超過一年半的時間內表現出卓越的循環能力，甚至優于液態電池。此外，這項工作還展示了高電壓圓柱形電池和高容量軟包電池，證實了與所有固態電池相比，該電池的組裝工藝簡單得多。這些發現凸顯了SLE方法在構建理想SEI方面的潛力，為廣泛采用可充鋰金屬電池提供了實用的解決方案。

圖3.?電化學性能研究

A Fluoride-Rich Solid-Like Electrolyte Stabilizing Lithium Metal Batteries. Advanced Materials 2024. DOI: 10.1002/adma.202313135

7. 索鎏敏/毛慧燦JACS：超輕電解液實現超660 Wh/kg鋰硫電池

在材料層面，鋰和硫的電化學耦合物具有超高的理論能量密度（>2600 Wh/kg）。然而，令人失望的是，由于其在電池層面的可獲得能量密度較低（≤500 Wh/kg），且存儲性能較差，它在一次電池中并不合適。

圖1.?MTBE的設計過程

中科院物理所索鎏敏、北京科技大學毛慧燦等定制了一種基于低密度甲基叔丁基醚（MTBE）的超輕電解液（0.837 g/mL，0.4 m LiTFSI + 0.2 m LiNO₃ in DME/MTBE = 1/1 vol %），以同時實現高能量密度和良好的儲能性能。研究發現，其保護性封裝溶劑化結構可減輕電解液重量（23.1%），提高容量利用率（38.1%），同時防止自放電。

圖2.?UE中的封裝溶劑化結構

此外，這項工作還引入了氟化石墨（CF_x）來構建混合硫基陰極（HC），以進一步提高能量密度。結果，為期31天的靜置實驗證明了這種系統的卓越存儲性能。此外，該工作所演示的300 mAh級軟包電池在靜置1周后達到了令人難以置信的661 Wh/kg能量密度，自放電率幾乎可以忽略不計，這有力地證實了這項工作對鋰硫一次電池實用性的重要意義。

圖3.?軟包電池性能

Ultralight Electrolyte with Protective Encapsulation Solvation Structure Enables Hybrid Sulfur-Based Primary Batteries Exceeding 660 Wh/kg. Journal of the American Chemical Society 2024. DOI: 10.1021/jacs.3c10260

8. 上海交大楊軍EnSM：不燃性兩親電解液實現的高壓鋰金屬電池

醚基溶劑通常具有低氧化穩定性和高易燃性，這阻礙了它們在實用高壓鋰金屬電池（LMBs）中的應用。

圖1.?電解液設計

上海交通大學楊軍等提出了一種新型膠束電解液，其中的3-全氟己基-1,2-環氧丙烷（FEO）含有極性部分的環氧丙烷和非極性部分的長鏈-CF₂-基團，可作為高壓LMB的單一電解液溶劑。

研究發現，FEO中的極性環氧丙烷基團能在一定程度上溶解鋰鹽，而長鏈-CF₂-基團則使電解液具有出色的潤濕性、阻燃性和良好的抗氧化性。由于其特殊的不對稱結構，FEO可以通過增加Li⁺與FSI-陰離子的結合來有效調節溶劑化結構，從而形成富含F的SEI膜，促使鋰沉積均勻致密。

圖2.?鋰金屬負極的電化學性能及其相關特性

實驗顯示，將1.5 M LiFSI/FEO電解液用于上限截止電壓為4.5 V的||NCM811全電池時，該電池在200次循環后顯示出優異的循環性能，容量保持率為80%，平均CE為99.9%。此外，在這種情況下，NCM811顆粒的晶間應力腐蝕開裂（SCC）和過渡金屬的溶解也受到了抑制。上述結果表明，基于FEO的電解液有望用于實用高壓LMBs。

圖3.?Li||NMC811電池性能

High-Voltage Li Metal Batteries Enabled by A Nonflammable Amphiphilic Electrolyte. Energy Storage Materials 2024. DOI: 10.1016/j.ensm.2024.103235