風口上的新能源：如何將電池的效率更上一層樓——近一個月頂刊速遞

新能源( NE）：又稱非常規能源。是指傳統能源之外的各種能源形式。指剛開始開發利用或正在積極研究、有待推廣的能源，如太陽能、地熱能、風能、海洋能、生物質能和核聚變能等。隨著時代的進步，環保的概念越發深入人心，新能源已經處于風口處，發展的勢頭無法阻擋。對于新能源的使用，最常的方法是通過轉換成電能再進行使用，這使得具有儲存電能能力的電池顯得尤為重要。在電池領域里，有無數的學者為之奮斗，使得電池的性能越來越優異，接下來將為您解讀最新研究進展。

1. 印度理工學院Rosy（ACS Applied Materials & Interfaces）：二乙基鋅輔助原子表面還原以穩定鋰和富錳NCM

鋰離子電池 (LIB) 在未來社會中，從在可再生能源和可調度電力供應之間建立協同作用到滿足快速增長的電動汽車市場，科學界一直為了實現先進具有理想能量、穩定性和壽命的下一代 LIB而努力。因此，近年來，人們對開發可在更高電壓下提供>200mAhg^?–1容量的正極材料越來越感興趣。為了滿足新出現的要求，高電壓、高能量的鋰和富錳過渡金屬(TM)氧化物，特別是指xLi₂MnO₃·(1–x)LiMO₂[M =Mn,Ni,Co; 富含鋰和錳的鎳鈷錳氧化物(LMR-NCM)]已成為一種有前途的正極材料，因為它們在2–4.7 V的電位窗口中運行時能夠提供高放電容量 (>250mAhg^–1?) 。

印度理工學院 (BHU) 化學系Rosy報告了一種新的方法來緩解穩定性問題和改善LMR-NCM的電化學性能，主要是通過二乙基鋅輔助原子表面還原(Zn-ASR)，并且改變O和過渡金屬的電子構型。使用所提出的Zn-ASR，在LMR-NCM顆粒表面上獲得了2-3nm的還原表面薄層，并且該表面富含復合ZnO_?x/ZnO_xRy。通過X射線光電子能譜表明在LMR-NCM表面，二乙基鋅的乙基向O原子轉移，最終導致近表面Mn和Ni原子的還原并阻礙不可逆的陰離子活性。ZnO_x/ZnO_xRy的存在使獲得更優異的電荷轉移和抗 HF能力。因此，與LMR-NCM相比，Zn-ASR處理的樣品表現出更好倍率能力、促進電荷轉移能力、更高的容量、降低寄生反應和長期穩定性。

參考文獻：Rosy; ?Taragin, S.; ?Evenstein, E.; ?Maletti, S.; ?Mikhailova, D.; Noked, M., Diethylzinc-Assisted Atomic Surface Reduction to Stabilize Li and Mn-Rich NCM. ACS Appl Mater Interfaces 2021.

2. 湖南科技大學易清風（ACS Applied Materials & Interfaces）：負載在N摻雜雙功能中空碳復合材料上的CoNi納米顆粒作為可充電鋅空氣電池的高性能 ORR/OER 催化劑

由于其理論比能量密度高、制造成本低、運行穩定和安全等優勢，鋅-空氣電池被認為是非常有前途的下一代能量轉換裝置。然而，受實際技術障礙的阻礙，可充電鋅空氣電池目前僅在某些領域應用有限，但它應該具有廣泛的商業應用，比如儲能到電動汽車。可充電鋅空氣電池進一步發展的主要障礙是氧還原反應（ORR）和析氧反應（OER）的固有緩慢反應動力學引起的大過電位。如果將鋅板和空氣中的氧氣分別固定為陽極和燃料，則空氣電極處ORR的動力學過程，即氧氣的利用效率，決定了整個裝置在放電時的性能。至于相反的過程，OER對電池的充電性能起著決定性的作用。因此，兼具優異ORR和OER電活性的空氣電極催化劑是可充電鋅空氣電池高效運行的保證。

湖南科技大學易清風團隊采用簡單的熱解方法，制備了一系列氮摻雜空心球形碳和管狀碳負載鈷鎳復合材料(CoNi/NHCS-TUC-x)。Co和Ni在復合材料中主要以合金納米粒子、M–N_x和M–C_x?(M = Co 或Ni)的形式存在，具有較高的氧還原反應(ORR)/析氧反應(OER)電活性。然后通過簡單調整制備管狀碳的原材料獲得的含有不同比例的球狀碳和管狀碳的材料表現出雙功能性能：具有豐富管狀含量的樣品和具有最高的ORR起始電位（0.91V vs可逆氫電極），而那些具有豐富的球形含量具有最高的ORR電流密度 (5.13 mA·cm^–2 )。此外CoNi/NHCS-TUC-3 提供最低的電位差(ΔE=Ej_?=10–E_1/2)為0.806 V。然后測試了CoNi/NHCS-TUC-3作為一次和可充電鋅空氣電池的空氣電極的潛在可能性。原電池的開路電位為1.59 V，峰值功率密度為361.8mA·cm^–2，比容量為756.5mAh·g_Zn^–1。可充電電池在10mA·cm^-2下可穩定循環55h以上。這些特性使CoNi/NHCS-TUC-3成為ORR和OER的優異電催化劑，以及適用于可充電鋅空氣電池的雙功能電極。

參考文獻：Sheng, K.; ?Yi, Q.; ?Chen, A. L.; ?Wang, Y.; ?Yan, Y.; ?Nie, H.; Zhou, X., CoNi Nanoparticles Supported on N-Doped Bifunctional Hollow Carbon Composites as High-Performance ORR/OER Catalysts for Rechargeable Zn-Air Batteries. ACS Appl Mater Interfaces 2021.

3. 吉林大學于吉紅（Journal of the American Chemical Society ）：鈣鈦礦量子點封裝在介孔金屬-有機框架中作為協同光電陰極材料

鹵化鉛鈣鈦礦，分子式為 APbX₃（其中 A 是堿金屬或烷基銨陽離子，X = Cl、Br 或 I），已引起光伏電池和其他光電器件的極大興趣。因為它們具有高消光系數、寬且可調的吸收范圍以及低的非輻射復合率。受到其在光伏電池中令人印象深刻的性能的鼓舞，如果可以解決其固有的不穩定性問題，鹵化鉛鈣鈦礦材料似乎是光催化的有希望的候選者。而金屬有機框架 (MOF)具有多孔載體結構，能夠與鈣鈦礦納米粒子的尺寸和幾何形狀相匹配，以實現有效的穩定，但又不會阻止光催化中試劑的進入等性質。

吉林大學于吉紅團隊通過順序沉積途徑將CsPbBr₃納米晶體封裝到具有介孔籠（~5.5和4.2 nm）的穩定鐵基金屬有機骨架（MOF）中，以獲得鈣鈦礦-MOF復合材料CsPbBr₃@PCN-333(Fe)，其中 CsPbBr₃納米晶體通過MOF籠的限制效應而穩定，免于聚集或浸出。單分散的CsPbBr₃通過透射電子顯微鏡和相應的映射分析直接觀察到 MOF晶格內的納米晶體（4-5 nm），并通過 X 射線衍射、紅外光譜和N₂吸附表征進一步證實。 在非質子體系中，CsPbBr₃@PCN-333(Fe)復合材料表現出優異而穩定的氧還原反應(ORR)和析氧反應(OER)催化活性。 此外，CsPbBr₃@PCN-333(Fe)復合材料作為光輔助Li-O₂電池的協同光電陰極，CsPbBr₃和PCN-333(Fe)分別作為光學天線和ORR/OER催化位點。與CsPbBr₃納米晶或PCN-333(Fe)相CsPbBr₃@PCN-333(Fe)光電陰極具有更低的過電位和更好的循環穩定性，突出了CsPbBr₃與PCN-333(Fe)之間的協同作用。

參考文獻：Qiao, G. Y.; ?Guan, D.; ?Yuan, S.; ?Rao, H.; ?Chen, X.; ?Wang, J. A.; ?Qin, J. S.; ?Xu, J. J.; Yu, J., Perovskite Quantum Dots Encapsulated in a Mesoporous Metal-Organic Framework as Synergistic Photocathode Materials. J Am Chem Soc 2021, 143 (35), 14253-14260.

4. 武漢理工大學麥立強（Small）：由具有外延相的原位重構納米多孔鎳實現超高倍率能力的耐用鎳鋅微電池

隨著物聯網（IoT）和人工智能（AI）的發展方興未艾，對功能性微電子產品的需求日益增長，其中高性能的小型化儲能設備發揮著重要作用。與消費電子產品和電動/混合動力電動汽車（EV和HEV）追求高能量密度不同，設備互聯網的傳感器系統對長期穩定性和高速率性能提出了更高的要求。微型電池作為一種高能量密度的微電源，在不同的微電子系統或器件中保持了靈活集成的優勢，但與電容器相比，功率密度相對較低，循環穩定性較差。在已開發的微型電池中，水性可充電鎳鋅微型電池因其反應動力學快、資源豐富和相對較高的電壓輸出（約1.8 V）而具有最大的應用前景。

武漢理工大學麥立強通過原位電化學方法，包括納米多孔鎳的重建和外延Zn(OH)₂納米相的引入，合理地構建了具有超高倍率性能的穩定鎳鋅微電池。隨著離子吸附效應的增強，表面鎳基納米結構的優異反應性得到了很好的穩定。基于簡單的微型化和電化學技術，制備的鎳微電極在電流密度折疊500倍時保持了63.8%的容量，而改性的氫氧化物有助于多孔結構的穩定性(循環10000次后仍然保持92%的容量)。此外，在實際測量中，構建的鎳鋅微電池獲得了優良的功率密度(320.17mWcm²)和穩定的快速充電性能(在3500次循環中容量保持率超過90%)。這種納米結構表面重建策略為優化電極結構提供了新的方向，豐富了集成微電子器件的高性能輸出單元。

參考文獻：Zhu, Z.; ?Kan, R.; ?Wu, P.; ?Ma, Y.; ?Wang, Z.; ?Yu, R.; ?Liao, X.; ?Wu, J.; ?He, L.; ?Hu, S.; Mai, L., A Durable Ni-Zn Microbattery with Ultrahigh-Rate Capability Enabled by In Situ Reconstructed Nanoporous Nickel with Epitaxial Phase. Small 2021, e2103136.

5. 浙江理工大學陳光良（ACS Applied Materials & Interfaces）：聚焦等離子體和純水，在電極結合鎳鈷氫氧化物-氧化物納米界面，用于強大的整體水分解

雙金屬、雙功能電催化劑能夠在商業水電解池的兩個電極上驅動氧(OER)和氫(HER)析出半反應，是最有前途的清潔氫能源生產材料系統之一。然而，工業相關電流密度下的氫氣和氧氣生產活性不足以及電極表面的長期催化劑穩定性阻礙了這種方法的工業轉化。

浙江理工大學陳光良帶領團隊使用磁場增強的聚焦室溫等離子體射流成功合成了NiCo₂O₄@NiCo(OH)₂/PNCF電催化劑，使用磁場增強的聚焦室溫等離子體射流原位制備了鎳鈷雙金屬氫氧化物納米片結構，該結構錨定了納米級雙金屬氧化物納米顆粒。等離子體射流為雙金屬氧化物相的形成提供了反應前體，在隨后的原位誘導球形顆粒水熱過程，而泡沫基材會產生交聯的氫氧化物納米片。以NiCo氧化物納米粒子為錨定的 NiCo氫氧化物納米片催化劑為活性物質的傳質過程提供了更豐富的非均相催化界面和密集的反應位點。同時，NiCo₂O₄納米顆粒和NiCo(OH)₂納米片的納米級界面增強了整體水分解的固有電催化性能。獲得的NiCo₂O₄@NiCo(OH)₂/PNCF只需要121 mV和349 mV的過電位就可以分別為HER和OER提供j₁₀。值得注意的是，在高電流密度下，可持續穩定性超過100小時，優于大多數先前報道的氫氧化物電催化劑。本研究為利用納米界面先進活性材料系統設計過渡金屬基電催化劑開辟了一條綠色的原位生長途徑。

參考文獻：Chen, G.; ?Chen, D.; ?Huang, J.; ?Zhang, C.; ?Chen, W.; ?Li, T.; ?Huang, B.; ?Shao, T.; ?Li, J.; Ostrikov, K. K., Focused Plasma- and Pure Water-Enabled, Electrode-Emerged Nanointerfaced NiCo Hydroxide-Oxide for Robust Overall Water Splitting. ACS Appl Mater Interfaces 2021.

6. 意大利費拉拉大學Matteo Valt（ACS Applied Materials & Interfaces）：空氣穩定鎳裝飾黑磷及其室溫耐化學氣體傳感器能力

在迅速興起的層狀二維功能材料領域，石墨烯的p相對應的黑磷是各種應用的潛在候選材料，例如納米光電子、可充電離子電池、電催化劑、熱電、太陽能電池和傳感器。黑磷表現出優越的化學傳感性能;特別是對環境有毒氣體NO₂的檢測具有選擇性，黑磷在ppb水平上具有較高的靈敏度。

意大利費拉拉大學Matteo Valt通過應用多尺度表征方法，從從頭模擬到形態、化學、結構和電學表征，證明了在空氣中增強的環境穩定性和鎳裝飾 bP (Ni/bP) 膜的功能改進，用于通過簡單、可重復且負擔得起的沉積技術制備的氣體傳感。此外，還研究了這些薄膜的電學行為，旨在通過將它們暴露于不同的氣體化合物（NO₂、CO₂、H₂、NH₃、CO、苯、乙醇、乙烯、甲醛、H₂S和SO₂) 和不同的相對濕度 (RH%) 條件。最后，研究了與裝飾技術和薄膜厚度相關的鎳納米顆粒 (NiNP) 尺寸和濃度對傳感性能的影響。特別是，在室溫操作模式下研究了薄膜的傳感性能，以突出這種 Ni/bP 薄膜的新應用可能的技術優勢，可以為 Ni/bP 薄膜在代表下一代電子技術的高性能和可穿戴傳感器中的實際應用開辟道路。

參考文獻：Valt, M.; ?Caporali, M.; ?Fabbri, B.; ?Gaiardo, A.; ?Krik, S.; ?Iacob, E.; ?Vanzetti, L.; ?Malagu, C.; ?Banchelli, M.; ?D'Andrea, C.; ?Serrano-Ruiz, M.; ?Vanni, M.; ?Peruzzini, M.; Guidi, V., Air Stable Nickel-Decorated Black Phosphorus and Its Room-Temperature Chemiresistive Gas Sensor Capabilities. ACS Appl Mater Interfaces 2021.

7. 哈爾濱工業大學許憲祝和張乃慶（Small）：通過增強的雙錨定效應對N摻雜CoTe₂進行有效的多硫化物捕獲和轉化

現代社會對能源日益增長的需求激發了對先進儲能系統的廣泛研究興趣。鋰硫（Li-S）電池系統因其令人印象深刻的理論能量密度（2600 Whkg^-1）和低成本而受到高度認可。然而，由于多硫化鋰 (LiPSs) 溶解導致的穿梭行為，Li-S電池的循環壽命不令人滿意，這在很大程度上阻礙了鋰硫電池的實際應用。

哈爾濱工業大學許憲祝聯合張乃慶團隊將N摻雜的 CoTe₂作為一種新型雙錨定電催化劑。強電負性N的加入進一步增強了催化劑的親鋰性，同時改變了Co的電子性質，從而提高了親硫性。這種增強的雙錨定效應使N摻雜的 CoTe₂成為一種出色的電催化劑，可以有效地捕獲 LiPS并提高其氧化還原動力學。一系列實驗和計算結果表明，摻入的N不僅可以作為增強的親鋰位點，而且還可以提高Co位點的親硫性。受益于這些優勢，使用N摻雜的CoTe₂作為催化中間層，Li-S電池能夠在4 C下達到758 mAhg^-1的令人印象深刻的倍率性能和1000次循環中每循環0.021%的非常低的容量衰減，從而使鋰硫電池能夠有效運行。這項工作中展示的材料和策略可能為開發更先進的Li-S電催化劑打開大門。

參考文獻：Song, X.; ?Tian, D.; ?Qiu, Y.; ?Sun, X.; ?Jiang, B.; ?Zhao, C.; ?Zhang, Y.; ?Xu, X.; ?Fan, L.; Zhang, N., Efficient Polysulfide Trapping and Conversion on N-Doped CoTe2 via Enhanced Dual-Anchoring Effect. Small 2021, e2102962.

8. 太原理工大學張鼎（ACS Applied Materials & Interfaces ）：銅和鋯共摻雜O3型氧化鐵錳鈉作為鈉離子電池的無鈷/鎳高容量和空氣穩定陰極

鋰離子電池自 1991 年開始商業化用于便攜式電子設備。它們正在取代燃料發動機為各種車輛提供動力以減少CO₂和PM2.5，但這種快速發展引起了人們對鋰源的擔憂。鈉離子電池利用豐富且廉價的鈉，被廣泛認為是未來儲能應用的有前途的設備。電極材料主要決定能量密度和循環曲線，因此開發高性能正極和負極是關鍵。而且鈉基層狀電極材料最常見的體系主要可以分為兩種主要的堆疊順序，O3型和P2型。鈉離子分別位于八面體和棱柱形位點。O3 陰極提供更高的初始Na含量，這有利于構建用于應用的高能全電池。

太原理工大學張鼎通過引入特定異質元素以優化儲能結構穩定性的方法，獲得了具有增強電化學性能和空氣穩定性的O3-NaFe _0.4Mn_0.49Cu_0.1Z_r0.01O₂。它在2-4.1V之間在0.1C下顯示出147.5 mAhg ^–1的初始可逆容量，在0.2C下循環100次后容量保持率超過 69.6%，放電容量為70.8 mAh g^–1?5C的高倍率，優于O3-NaFe_0.5Mn_0.5O₂。Cu/Zr的共摻雜保留了層狀O3結構，增大了層間距，促進Na^?+的擴散。此外，通過摻入額外的 Zr有利于高度可逆的相轉化過程，Cu摻雜觀察到的結構穩定性和空氣穩定性得到了很好的保持。因此，這項工作證明了開發用于鈉離子電池的無鈷/鎳的高容量和空氣穩定陰極的有效策略。

參考文獻：Zheng, Y. M.; ?Huang, X. B.; ?Meng, X. M.; ?Xu, S. D.; ?Chen, L.; ?Liu, S. B.; Zhang, D., Copper and Zirconium Codoped O3-Type Sodium Iron and Manganese Oxide as the Cobalt/Nickel-Free High-Capacity and Air-Stable Cathode for Sodium-Ion Batteries. ACS Appl Mater Interfaces 2021.

9. 華南師范大學侯賢華（ACS Applied Materials & Interfaces）：氧缺陷水合二氧化釩/石墨烯作為水性鋅電池的優良陰極

與使用有毒有機電解質的電池相比，以水為電解質溶劑的鋅離子電池具有較高的安全性、經濟性和環保性，在大型儲能系統中具有廣闊的發展前景。特別是鋅在自然界中含量豐富，氧化還原電位低（-0.76 V），比容量高（820 mAh/g），能量密度高，是一種具有良好發展前景的新型二次電池系統。目前，鋅離子電池的研究重點是開發高容量、長壽命的正極材料。正極材料是鋅離子電池的重要組成部分之一，關系到電池的電壓窗口、循環穩定性和倍率性能。在眾多正極材料中，釩基化合物以其價態可變、結構不同、安全性高、成本低、理論容量高等優點，具有廣闊的應用前景。

華南師范大學侯賢華構建了具有豐富氧空位缺陷和石墨烯改性的 3D 海綿狀水合二氧化釩復合材料（O_d-HVO/rG）。由于穩定的結構和豐富的活性位點，O_d-HVO/rG表現出優異的電化學性能。在水性電解質中，O_d-HVO/rG正極提供高初始充電容量（0.1 A/g 時為 428.6 mAh/g）、令人印象深刻的倍率性能（即使在 20 A/g 時也為 186 mAh/g）和循環穩定性，仍可保持 197.5 mAh/g在 10 A/g 下循環 2000次。此外，還實現了245.3 Wh/kg 的優異比能量和14142.7 W/kg 的比功率。此外，制備了MXene/O_d-HVO/rG正極材料并應用PAM/ZnSO₄水凝膠電解質組裝柔性軟包準固態鋅離子電池，該電池還表現出優異的柔韌性和循環穩定性（206.6 mAh/ g 2000 次循環后）。這項工作為可充電水性鋅離子電池的進展奠定了基礎，同時揭示了柔性儲能設備的實際應用潛力。

參考文獻：Huang, S.; ?He, S.; ?Qin, H.; Hou, X., Oxygen Defect Hydrated Vanadium Dioxide/Graphene as a Superior Cathode for Aqueous Zn Batteries. ACS Appl Mater Interfaces 2021.

10. 南京大學張會剛（Small）：一種多硫化物限制的一體式多孔微膠囊鋰硫電池正極

二次電池系統對全球新能源發展越來越重要。最近，迫切需要用于電動汽車 (EV) 的高體積和重量能量密度電池。鋰離子電池由于其高工作電壓和長循環壽命而被廣泛應用。然而，仍然非常需要具有更高能量密度和更低成本的新興二次電池。由于2600 Wh kg^?-1的高理論能量密度和1675 mAhg^-1?的容量，鋰硫（Li-S）電池為開發有前景的電動汽車動力電池帶來了新的機遇。此外，硫是天然豐富的，具有成本效益，環境友好，具有商業化前景。盡管有這些優勢，但目前，一些問題阻礙了鋰硫電池的發展。一是硫及其排放產物的導電性差；二是在充放電過程中硫中間體在電解液中的溶解和遷移；三是循環過程中硫的體積變化大。

南京大學張會剛開發了一種新型多孔微膠囊系統，該系統包含碳納米管/二氧化錫量子點/S（CNTs/QDs/S）復合核和通過液體驅動同軸微流體方法制備的多孔殼作為鋰硫電池正極。微膠囊中包裹的CNTs提供了電子傳遞途徑; 在碳納米管上的SnO₂量子點通過強吸附固定多硫化物，這一點通過結合能的密度泛函理論計算得到驗證。微膠囊的多孔殼有利于離子擴散和電解質滲透。微膠囊內的空隙適應硫的體積變化。基于多孔 CNTs/QDs/S 微膠囊的 Li-S電池在0.1 C 下循環100次后顯示出1025 mAhg^-1的高容量。當硫負載量為2.03mg cm^-2?時，電池顯示出穩定的循環壽700次循環，庫侖效率超過99.9%，重復測試期間可恢復的倍率性能，以及在-5和45°C下的良好溫度耐受性，這表明在不同條件下的應用潛力。

參考文獻：Liu, J.; ?Zhu, M.; ?Shen, Z.; ?Han, T.; ?Si, T.; ?Hu, C.; Zhang, H., A Polysulfides-Confined All-in-One Porous Microcapsule Lithium-Sulfur Battery Cathode. Small 2021, e2103051.

11. 東南大學陳堅（ACS Applied Materials & Interfaces）：一種用于鈉/鉀離子儲能的具有 S/N 共摻雜的柔性多通道中空CNT/碳納米纖維復合材料

柔性儲能裝置，尤其是快速發展的柔性鋰離子電池（LIBs），已經在許多應用中融入我們的生活。然而，鋰的稀缺促使人們尋求其他替代品。在各種選擇中，基于天然豐富且廉價的堿金屬離子（鈉離子 Na⁺、鉀離子K⁺）的電化學裝置備受關注。此外，鈉離子電池（SIBs）和鉀離子電池（PIBs）具有合適的氧化還原電位和類似 LIB 的搖椅機制，給予廣闊的設計空間和商業前景。同時，柔性電極需要在反復機械變形下保持電化學性能，這對結構穩定性提出了更高的要求。因此，開發具有良好電化學性能的機械堅固電極材料是柔性 SIB 和 PIB 的關鍵挑戰。

東南大學陳堅提出了具有獨特的多通道中空一維/一維碳納米管/碳納米纖維網絡的形態和具有S/N共摻雜的碳的晶格結構的綜合設計。受益于更大的層間距和靈活的纖維網絡，S/N摻雜的碳納米管/碳納米纖維復合材料（CNT/SNCF）不僅具有高導電性，而且在鈉化和鉀化過程中具有良好的結構穩定性。當用作SIBs和PIBs的陽極材料時，顯示出高放電容量(在1 A/g情況下, 1000次循環后分別為274.1和212.5 mAhg^{- 1})、優異的循環穩定性（5000次循環后在5A/g下分別為150.4和100.1mAhg^–1）和倍率性能（在10A/g下為109.3mAhg^?–1和在5A/g下為108.7mAhg ^–1），顯示出柔性儲能設備的廣闊前景。

參考文獻：Chen, D.; ?Huang, Z.; ?Sun, S.; ?Zhang, H.; ?Wang, W.; ?Yu, G.; Chen, J., A Flexible Multi-Channel Hollow CNT/Carbon Nanofiber Composites with S/N Co-Doping for Sodium/Potassium Ion Energy Storage. ACS Appl Mater Interfaces 2021.

12. 美國韋恩州立大學Leela Mohana Reddy Arava（Journal of the American Chemical Society）用于鋰離子電池的無鎳和鈷硫基陰極化學中陽離子和陰離子的混合氧化還原

經過30年的積極研究，目前的鋰離子電池技術已經達到了一個平臺，需要在能量密度和循環性方面進行改進，以滿足不斷增長的能源需求。一般而言，LiCoO₂(LCO)、LiFePO₄(LFP)、LiNiMnCoO₂(NMC) 和 LiNiCoAlO₂(NCA)等傳統正極均基于過渡金屬的氧化還原化學性質，其容量利用率僅由過渡金屬離子（陽離子氧化還原提供150-200mAh/g范圍內的比容量）。近年來，研究人員一直在探索所謂的“富鋰陰離子氧化還原”陰極化學，其中存儲在氧化物陰離子上的電子在氧化還原反應中與過渡金屬氧化還原一起被可逆地利用。陰離子和陽離子的結合氧化還原使這些富鋰正極材料具有顯著更高的儲能能力。

美國韋恩州立大學Leela Mohana Reddy Arava提出了一種通過在陰極結構框架中引入電負性較小的硫屬元素配體（硫）來改善金屬-配體共價的替代方法，其中金屬d帶穿透配體p帶，從而利用可逆的混合陰離子和陽離子氧化還原化學。在鋰離子導電相(Li₂SnS₃)中引入Fe^2+/3+等部分填充的d軌道氧化還原電偶時，開發一種新的層狀陰極材料家族的可能性。詳細的高分辨率透射電子顯微鏡和高環形暗場掃描透射電子顯微鏡研究揭示了多氧化還原誘導的結構改性及其在循環過程中納米孔形成的表面非晶化。這項研究的結果在基于硫屬元素的雙陰離子和陽離子氧化還原陰極途徑中設計無鎳和鈷的硫屬元素陰極和各種功能材料提供參考。

參考文獻：Nagarajan, S.; ?Hwang, S.; ?Balasubramanian, M.; ?Thangavel, N. K.; Arava, L. M. R., Mixed Cationic and Anionic Redox in Ni and Co Free Chalcogen-Based Cathode Chemistry for Li-Ion Batteries. J Am Chem Soc 2021.

13. 中山大學孟躍中（Small）：具有均勻分子間Li⁺路徑的有機-無機雜化聚合物固體電解質的相間構建，用于穩定的鋰金屬電池

對更好產品體驗的日益增長的需求促使我們快速開發新一代電子設備，這也為儲能系統設定了更高的標準。它激發了對先進材料的廣泛研究，以滿足二次電池高能量密度日益增長的需求。金屬鋰(Li)，比容量是石墨碳負極的10倍（3860 mAhg^-1與370mAhg^-1），與傳統過渡金屬氧化物陰極材料相比，它是未來陰極最有希望的候選材料之一。然而，與鋰金屬電極相關的兩個關鍵科學問題是不穩定的固體電解質中間相(SEI)和鋰電鍍/剝離過程中的鋰枝晶生長，這導致電解質和鋰金屬的快速消耗，進一步導致電解液“干涸”、電池過早失效和庫侖效率(CE)低。

中山大學孟躍中設計了一種在分子水平上具有均勻鋰離子路徑的新型有機-無機雜化聚合物人工SEI（POSS-LiBMAB）層來穩定鋰金屬負極。SEI層是由含八巰基丙基(POSS-SH)的無機多面體倍半硅氧烷低聚物(POSS-SH)與雙(烯丙二酸)硼酸鋰(LiBMAB)在鋰箔上進行巰基click化學反應而形成的。此外，POSS-LiBMAB薄膜還可以通過分子間S- C鍵進行交聯和自增強。得益于其靈活的聚合物共價結構和無機 Si₈O₁₆型立方體，有機-無機雜化聚合物層具有柔韌性，可有效耐受電鍍/剝離循環過程中鋰金屬負極的體積變化。此外，該層顯示出 Li⁺和電荷離域sp3硼-氧陰離子之間松散且均勻分布的靜電相互作用，這有助于形成均勻的分子間Li⁺路徑，調節Li⁺通量在鋰負極上的均勻分布。最后，設計的POSS-LiBMAB層具有高離子電導率和鋰離子轉移數，可以有效促進Li⁺擴散并引導鋰沉積在SEI 層下方。因此，在POSS-LiBMAB層的保護下，鋰金屬負極在5mAcm^-2?下表現出穩定循環超過1000小時，而LFP//Li全電池也表現出出色的循環穩定性。

參考文獻：Liu, P.; ?Zhang, J.; ?Zhong, L.; ?Huang, S.; ?Gong, L.; ?Han, D.; ?Wang, S.; ?Xiao, M.; Meng, Y., Interphase Building of Organic-Inorganic Hybrid Polymer Solid Electrolyte with Uniform Intermolecular Li(+) Path for Stable Lithium Metal Batteries. Small 2021, e2102454.

14. 哈爾濱大學陳剛（Journal of Colloid and Interface Science）：由 N 摻雜碳層限制的分層 MnV₂O₄中空夾層納米片作為高性能鋰離子電池的負極

可充電鋰離子電池（LIBs）因其巨大的能量密度和大功率密度而被認為是最重要的電化學儲能系統。然而，由于不令人滿意的理論鋰存儲容量，其作為必要的電化學儲能裝置的進一步應用受到限制。在金屬釩氧化物中，錳釩氧化物（MnVO）具有成本低、易得、環境污染小等綠色化學優勢。更重要的是，MV₂O₄型雙金屬尖晶石釩酸鹽因其獨特的幾何結構、電子特性和高理論容量（約974mAhg^-1）而被認為是一種很有前途的負極材料。

哈爾濱大學陳剛通過微波輔助和原位熱解涂覆的聚多巴胺，在5分鐘內有效地合成了一種新型尖晶石MnV₂O₄雙層空心夾心納米片，包裹在N摻雜的多孔碳層（MnV₂O₄/NC）中。MnV₂O₄/NC 由于其獨特的雙層空心夾層微觀結構、混合鋰存儲機制和氮摻雜碳層的原位涂覆，顯示出作為鋰離子電池負極的優異性能，在1000mAg^-1時的比容量為760mAhg^-1，并且在1000次循環后甚至在5000mAg^-1下的比容量為525.5mAhg^-1具有出色的循環穩定性。

參考文獻：Jing, F.; ?Pei, J.; ?Zhou, Y.; ?Qin, Z.; ?Cong, B.; ?Hua, K.; Chen, G., Hierarchical MnV₂O₄ double-layer hollow sandwich nanosheets confined by N-doped carbon layer as anode for high performance lithium-ion batteries. J Colloid Interface Sci 2021, 607 (Pt 1), 538-545.

15. 香港城市大學支春義（ACS Nano）：走向實用的鋅粉陽極：Ti₃C₂TxMXene 作為晶格匹配電子/離子再分布器

盡管人們在解決枝晶、死鋅和鋅箔作為鋅基電池負極的寄生反應方面付出了巨大的努力，但實際上，鋅箔并不適合工業實際應用。鋅粉（Zn-p）具有成本低、加工性好、可調性好等優點。相比之下，鋅箔價格昂貴，更重要的是，鋅箔同時作為集流體和活性材料會帶來很多麻煩。然而，具有大大擴大的Zn-p表面積的特定球形微結構有望使Zn陽極更加復雜和難以處理。揭示Zn-p陽極的多個潛在問題對理解機理和對策至關重要，但很少在水溶液中對其進行研究。

香港城市大學支春義專注于鋅粉陽極并揭示其與鋅箔不同的未知失效機制。利用二維柔性導電Ti₃C₂TxMXene薄片具有六方密排晶格作為電子和離子的再分配器，構建了穩定且高度可逆的鋅粉陽極，沒有枝晶生長和低極化。低晶格失配(~10%)使沉積的Zn的(0002) 面和 Ti₃C₂TxMXene的(0002) 面之間形成相干的異質界面。因此，誘導Zn²⁺離子通過內部橋接的穿梭通道經歷快速均勻成核和具有低能壘的持續可逆剝離/鍍覆。與氰基六氰基鐵酸鐵(FeHCF)陰極配對，FeHCF// MXene@Zn全電池提供卓越的循環耐久性和倍率能力，其使用壽命接近 100%，達到850%的裸鋅粉末同類產品。所提出的涉及高速電子/離子通道、低勢壘異質界面Ti₃C₂TxMXene再分配器策略有望廣泛應用于其他堿金屬陽極。

參考文獻：Li, X.; ?Li, Q.; ?Hou, Y.; ?Yang, Q.; ?Chen, Z.; ?Huang, Z.; ?Liang, G.; ?Zhao, Y.; ?Ma, L.; ?Li, M.; ?Huang, Q.; Zhi, C., Toward a Practical Zn Powder Anode: Ti₃C₂Tx MXene as a Lattice-Match Electrons/Ions Redistributor. ACS Nano 2021.

本文由春國供稿。

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