盤點：國內鋰電領域院士陳立泉、萬立駿、錢逸泰、吳鋒、劉忠范、成會明、陳軍等人最新研究成果

1、ACS Cent. Sci：室溫柔性準固態可充電Na?O₂電池

可充電Na?O₂電池因其高能量密度、超低過電位和豐富的資源而被認為是最有前途的儲能設備。不幸的是，使用液態電解液的傳統Na?O₂電池經常會出現嚴重的枝晶生長、電解液泄漏和向Na金屬陽極潛在的H₂O污染。在此，南開大學陳軍院士報道了一種由聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物-4%SiO₂-NaClO₄-四乙二醇二甲醚組成的高性能可再充Na-O₂電池的準固態聚合物電解質（QPE）。通過密度泛函理論計算表明，QPE的氟碳鏈有利于Na⁺的轉移，從而獲得1.0 mS cm^?1的高離子電導率。有限元模擬結果表明，QPE獨特的納米孔結構和較高的介電常數可以在充放電過程中誘導電場均勻分布，從而實現無枝晶的均勻沉積。此外，QPE的非穿透納米孔結構和氟碳鏈形成的疏水行為可以有效地保護Na陽極免受H₂O的侵蝕。因此，所制備的準固態Na?O₂電池在放電容量為1000 mAh g^?1時，平均庫侖效率高達97%，并且在80圈循環中電壓衰減可以忽略不計。作為概念證明，組裝了軟包Na?O₂電池，在從0°彎曲至360°后，其電化學性能穩定達～400 h。這項工作展示了準固態電解質在高性能柔性鈉氧電池中的潛在應用。該成果以“Room-Temperature Flexible Quasi-Solid-State Rechargeable Na?O₂?Batteries”為題，發表在ACS Cent. Sci上。DOI: 10.1021/acscentsci.0c00849。

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscentsci.0c00849.

2、ACS Nano：插層誘導轉換反應提供高容量鉀儲存

鉀離子電池由于鉀的天然豐度和鉀離子氧化還原電位較低，顯示出作為下一代電化學儲能系統的巨大潛力。為了適應K離子的大離子半徑，轉換型電極材料被認為是適合存儲K離子的材料。然而，大多數PIBs陽極材料的轉換反應觸發機制尚不清楚，這限制了它們的進一步發展。為了揭示其機理，清華-伯克利深圳學院成會明院士和周光敏副教授選擇了MoSe₂、MoS₂和MoO₂作為模型材料，在理論計算的指導下，研究了K離子的存儲過程。通過原位表征發現，在MoSe₂和MoS₂中優先發生插層反應，在MoO₂中優先發生吸附反應。這是因為MoSe₂和MoS₂的層間間距比MoO₂大，K離子插層屏障更低。優先插層反應可以通過降低反應屏障誘導進一步的轉換反應，從而實現高的K離子存儲能力。因此，MoSe₂-rGO和MoS₂-rGO雜化比MoO₂-rGO雜化表現出更高的可逆能力。作者通過闡明插層與轉換反應之間的關系，了解其機理，為選擇電極材料獲得高性能的PIBs提供指導。該研究成果以“Intercalation-Induced Conversion Reactions Give High-Capacity Potassium Storage”為題，發表在ACS Nano上。DOI:?10.1021/acsnano.0c06606。

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c06606.

3、Adv. Mater：二硫化鎢中硫空位和異質結構誘導鈉離子電池快速電子/離子擴散動力學

工程化新型電極材料具有獨特的結構，對于調節二次電池系統的結構/電化學性能具有重要影響。近日，北京理工大學吳鋒院士、吳川教授與武漢理工大學麥立強教授合作從組織良好的WS₂納米棒出發，提出了一種新穎的一步法制備具有同軸碳涂層的雙金屬硫化物復合材料的方法，通過簡單地ZIF-8的引入實現。可以同時形成富硫空位和WS₂/ZnS的異質結構，顯著改善離子和電子擴散動力學。此外，復合材料表面周圍的均勻碳保護層保證了出色的結構穩定性，在5000次循環后，以5 A g^?1的倍率可逆容量為170.8 mAh g^?1。基于在實際應用中具有很大潛力的WS_2?x/ZnS@C陽極和P2-Na_2/3Ni_1/3Mn_1/3O₂陰極組裝的全電池可以保持在1 A g^?1下500次循環后，可逆容量為89.4 mAh g^?1。此外，通過理論計算、電化學動力學分析和操作X射線衍射表征，詳細闡述了其電化學儲鈉機理。該成果以“Co-Construction of Sulfur Vacancies and Heterojunctions in Tungsten Disulfide to Induce Fast Electronic/Ionic Diffusion Kinetics for Sodium-Ion Batteries”為題，發表在Adv. Mater上。DOI：10.1002/adma.202005802。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202005802.

4、Adv. Energy Mater：界面集中約束抑制陰極在鹽溶液中的溶解

由于水分子極性強，質量溶解是水電解質中陰極的主要問題之一。從原理上講，質量溶解是一個熱力學上有利的過程，由吉布斯自由能決定。然而，在實際情況下，溶解動力學（包括粘度、溶解質量遷移率和界面性質）也是影響溶解速率的關鍵因素。熱力學和動力學溶解因子都可以通過電解質中鹽與溶劑的比例來調節。近日，中科院物理研究所陳立泉院士和中國科學院大學索鎏敏研究員通過濃度控制陰極溶解，研究了敏感的Na₃V₂(PO₄)₃在溶液中的溶解性，其溶解性隨時間、循環和荷電狀態而變化，并用多種電化學和化學方法進行了評價。結果表明，鹽電解質中的超高濃度具有高粘度、低釩離子擴散、低極性的溶劑水溶性和稀缺的溶質-水溶性表面。這些因素通過時間和物理空間局部質量界面約束顯著降低了熱力學控制的溶解度和溶解動力學，從而引入了一種新的界面集中約束機制，提高了實際水溶液可充式鈉離子電池的循環穩定性。該成果以“Interface Concentrated-Confinement Suppressing Cathode Dissolution in Water-in-Salt Electrolyte”為題，發表在Adv. Energy Mater上。DOI:?10.1002/aenm.202000665。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202000665.

5、Adv. Funct. Mater：揭示含碳材料中雜原子硫的雙刃性平衡儲鉀能力和穩定性

碳基體中的雜原子通常被認為是增強儲鉀能力的活性中心，但其對離子電池的不利影響尚不清楚。因此，中國科學技術大學錢逸泰院士和林寧副研究員通過控制前驅體的比例，在密閉高壓釜中精確合成了一系列硫含量和結晶度可調的硫摻雜碳（SCDPx）。電化學測試表明，雜原子硫表現出雙刃的電化學活性，其初始儲鉀容量較高，但對碳的循環穩定性較差。通過固體核磁共振（NMR）、催化試驗和各種原位表征，證明了碳中的硫不僅能形成C-S-C鍵，還可以作為活性中心可逆地吸附/解吸鉀離子以獲得高容量，同時也能顯著催化KPF₆和碳酸乙烯酯/碳酸二乙酯（EC/DEC）等電解質的還原和分解，形成較厚的固體電解質界面（SEI）并降解電解液，導致容量迅速衰減。因此，具有適當硫摻雜含量的優化樣品（SCDP2）具有高容量（100 mA g^?1時為688.4 mA h g^?1）、長期循環穩定性（在2000 mA g^?1時10000次循環后比容量為198.4 mA h g^?1）和優異的倍率性能（5000 mA g^?1時為238.8 mA h g^?1）具有最佳的電化學性能。該研究成果以“Revealing the Double-Edged Behaviors of Heteroatom Sulfur in Carbonaceous Materials for Balancing K-Storage Capacity and Stability”為題，發表在Adv. Funct. Mater的期刊上。DOI:?10.1002/adfm.202006875。

原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202006875.

6、ACS Energy Lett：水性鋅金屬電池的儲能化學

水性鋅金屬電池（ZMBs）被認為是大規模儲能的候選材料。然而，陰極、鋅陽極和電解液仍存在一些缺陷，限制了它們的實際應用。南開大學陳軍院士回顧了水性ZMBs的研究進展，重點揭示了水性ZMBs的化學性質。首先，對正極材料和電化學反應進行了總結和討論。然后，介紹了鍍鋅/化學剝離的基本知識，接著介紹了鋅枝晶生長和析氫的原理以及相應的緩釋策略。然后對電解液工程，主要考慮鹽、濃度、添加劑和水凝膠電解液進行了討論。最后，在實際應用中還存在一些問題，主要包括陰極的未定義機制和溶解，鋅陽極的枝晶生長和析氫，電解質的性能和成本之間的平衡，以及全電池的測試方案。本文的綜述為進一步研究和開發水基ZMBs提供了新的思路。該研究成果以“Energy Storage Chemistry in Aqueous Zinc Metal Batteries”為題發表在著名期刊ACS Energy Lett上。DOI:?10.1021/acsenergylett.0c02028。

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7、Adv. Mater：3D打印V₈C₇–VO₂雙功能框架作為鋰硫電池的有效多硫化物固定劑和鋰穩定劑

鋰硫電池由于其低成本、高能量密度等優點，一直受到人們的廣泛關注。在這一領域，多硫化物的穿梭效應和鋰枝晶的不可控制的生長極大地阻礙了它們的商業可行性。近年來，人們發現合理的方法可以同時調節多硫化物的行為和抑制鋰枝晶生長。然而，高性能鋰硫電池的主要障礙仍然在于對雙功能材料候選材料知之甚少，以及對可定制設備的先進技術探索不足。近日，北京大學劉忠范院士和蘇州大學孫靖宇教授合作提出了一種“二合一”的策略，利用三維打印技術（3DP）來制備V₈C₇-VO₂異質結構框架，作為鋰硫電池的雙效多硫化物固定劑和鋰枝晶抑制劑。由此衍生出的3DP-V₈C₇–VO₂/S電極展示了優異的倍率性能（6.0C時為643.5 mAh g^?1）和良好的循環穩定性（900次循環后，在4.0 C下，每次循環的容量衰減為0.061%）。重要的是，利用兩個3DP主機的集成鋰硫電池可在高硫負荷下實現高面積容量（在硫負荷為9.2 mg cm^?2時為7.36 mAh cm^?2）。這項工作提供了解決在整個3DP中S陰極和Li陽極同時面臨的挑戰的見解。該研究成果以“3D Printing of a V₈C₇–VO₂?Bifunctional Scaffold as an Effective Polysulfide Immobilizer and Lithium Stabilizer for Li–S Batteries”為題發表在著名期刊Adv. Mater上。DOI:?10.1002/adma.202005967。

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8、Adv. Energy Mater：非質子Li-O₂電池納米尺度水介導界面過程的原位觀測

了解水對鋰氧反應界面過程的顯著影響，對鋰氧電池的實際應用具有重要意義。然而，在納米尺度上闡明水調節活性產物的生長路徑和表面動力學仍處于初級階段。近日，中科院化學研究所萬立駿院士和文銳研究員利用原位原子力顯微鏡成功地揭示了鋰氧電池中水介導陰極過程的界面演化過程。在添加劑水的調節下，隨著水含量的增加，放電產物Li₂O₂的形貌由環狀變為層狀，后者在充電時表現出較低的分解電位和較快的動力學。此外，實時可視化顯示，在DMSO基電解液中引入水可以使Li₂O₂的成核途徑由表面介導轉變為溶液介導，進而影響產物分布和電池性能。此外，作者還發現外加電流密度和外加水對界面行為有拮抗作用。水對Li₂O₂成核模式和演化過程的影響進行了深入研究，為進一步了解Li-O₂電池的界面反應提供了新的思路。該研究成果以“In Situ Realization of Water-Mediated Interfacial Processes at Nanoscale in Aprotic Li–O₂?Batteries”為題發表在著名期刊Adv. Energy Mater上。DOI:?10.1002/aenm.202002339。

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