眾院士繼續為新能源領域“添磚加瓦”，且看陳立泉、錢逸泰、孫世剛在該領域的最新成果

陳立泉

在中國率先開展鋰電池及相關材料研究。在國內首先研制成功鋰離子電池。解決了鋰離子電池規模化生產的科學技術與工程問題，實現了鋰離子電池的產業化。2001年當選為中國工程院院士。

1.Advanced Energy Materials：水穩定硫化物固體電解質膜可直接應用于由超疏水鋰離子導電保護層實現的全固態電池

全固態電池（ASSB）已被公認為具有高能量密度、功率密度和安全性的下一代儲能技術。在實現ASSBs的所有固體電解質（SEs）中，硫化物代表了一種最有前途的技術路線，因為它們具有高離子電導率和理想的機械變形能力。然而，大多數硫化物SEs本質上是不穩定的，會與空氣/水分/水發生反應，釋放出有毒的H₂S，其結構完全受損，Li⁺電導率降低。這極大地限制了硫化物SEs在ASSBs中的實際應用，對生產、儲存、運輸、電池組裝等過程中的惰性氣體保護提出了極高的成本和苛刻的要求。

為了解決這個問題，本文開發了一種適用于所有類型硫化物SEs的通用方法來實現水穩定硫化物SE膜，通過噴涂Li_1.4Al_0.4Ti_1.6(PO₄)₃的Li⁺導電超疏水保護層(LATP) 納米粒子和氟化聚硅氧烷(F-POS)通過原硅酸四乙酯和1H ,1H ,2H ,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷分子的水解和縮合。F-POS@LATP 涂層表現出優異的超疏水性（水靜態接觸角>160°），以抵抗極端暴露（直接水噴射），因為它具有微/納米級粗糙度和低表面能。此外，使用暴露于極端條件的改性Li₆PS₅Cl膜的 ASSB表現出147.3mAh g^-1的可逆容量，與使用原始硫化物膜的 ASSB相當。超疏水的Li⁺-導電層被證明是硫化物膜的有效保護方法，使它們在極端水暴露條件下保持穩定和功能，提供了一種新方法來保護所有類型的硫化物 SE 和其他空氣/水分/水敏感材料，而不會犧牲電化學性能。

2.Materials Today Physics：層狀結構Li₂MoO₃的陽離子無序調節電化學性能

隨著電動汽車和儲能系統需求的快速增長，迫切需要具有高比容量和長循環壽命的鋰離子電池。具有高可逆容量和高工作電位的富鋰層狀氧化物及其衍生物 Li_1+xTM_1-xO₂（x > 0和TM=過渡金屬）被強烈認為是有前途的鋰離子正極材料電池。然而，初始循環庫侖效率低，循環過程中容量和放電電位不斷下降，倍率能力差等一系列問題，必須在這些材料的商業應用之前得到很好的解決。

在此，選擇Li₂MoO₃作為富鋰層狀材料的原型，以了解陽離子無序對脫鋰的影響。在密度泛函理論(DFT) 計算和性能表征的基礎上，闡明了Li₂MoO₃的局部無序結構調節從不同位點提取鋰的順序，這會影響材料的性質，如容量、電荷補償和導電性。這些發現為理解鋰離子電池富鋰層狀氧化物的性能衰減和結構設計提供了深刻的見解。

3.Advanced Functional Materials：硫化物固體電解質和無枝晶液態鋰陽極實現高電流密度和長循環壽命

鋰金屬是理想的陽極候選物，但面臨著巨大的挑戰，包括液體有機電解質中的熱力學穩定性差以及連續電鍍/剝離過程中的枝晶成核/生長。

為了解決上面列出的困難，這里提出了一種結合液體鋰溶液陽極、硫化物固體電解質和界面保護層的電池配置，以防止兩種組分之間發生界面反應。這種配置結合了液體-鋰-溶液陽極（溶解鋰以基本上防止鋰成核）和硫化物固體電解質（所有固體電解質中最高的室溫離子電導率和理想的機械延展性，只需冷壓即可實現完全致密層）的優點，因此創紀錄的高電流密度（17.78 mA cm^-2 ) 和長循環壽命（近 3000小時）。同時，系統地研究了鋰金屬在液態鋰負極中的溶解度和液態鋰負極的電化學性能，以找到室溫電導率最高（12.2 mS cm^-1）的最合適的液態鋰負極濃度。這項工作為實現高比容量、高能量/功率密度和長循環壽命的二次電池提供了一種有前景的方法和電池配置。

錢逸泰

無機化學家。主要從事主要從事納米材料化學制備和超導材料制備方面的研究。1997年當選為中國科學院院士。

4.Journal of Energy Chemistry：用于鈉離子電池先進負極的氮氟共摻雜二氧化鈦/碳微球：高體積容量、優異的功率密度和大面積容量

快速充電和高容量是鈉離子電池 (SIB) 的兩個關鍵需求。盡管納米結構材料具有出色的倍率性能，但它們的振實密度低和體積容量小。因此，如何同時實現大體積容量和高振實密度是非常具有挑戰性的。

在這里，合成了N/F共摻雜的TiO₂ /碳微球（NF-TiO₂ /C）以實現大體積容量和高振實密度。理論計算表明，N和F共摻雜增加了氧空位的含量，縮小了TiO₂和C的帶隙，提高了NF-TiO₂ /C的電子電導率。此外，NF-TiO₂/C表現出Na⁺的高結合能和低擴散能壘，顯著促進Na⁺存儲和Na⁺擴散。因此，NF-TiO₂ /C具有高振實密度（1.51 g cm^-3）、出色的倍率性能（100 C下，~125.9 mAh g ^-1 ）、大體積容量（在100C下，~190 mAh cm^-3)，同時具有高面積容量（~4.8 mAh cm^-2）和超長循環性能（10C下 10,000 次循環后~80.2%）。此外，NF-TiO₂ /C||Na₃ V₂ (PO₄ )₃全電池實現了25.2 kW kg^-1的超高功率密度。這些結果表明NF-TiO₂/C 作為SIBs的高體積容量和高功率密度負極材料的巨大前景。

5.Advanced Energy Materials：用于高效儲鉀、富氮碳雙限制 CoP 復合材料的零應變結構

后鋰離子電池 (LIB) 的發展有望通過減少日益減少的鋰資源的使用來應對可持續的資源挑戰。與此相一致，由于鉀資源儲量豐富，價格誘人，K⁺/K(-2.93 V)的氧化還原電位可與Li⁺/Li (-3.04 V)相媲美，鉀離子電池(PIB)有望以低成本獲得相當好的輸出電壓和能量密度。盡管如此，電化學循環過程中導致結構坍塌的嚴重體積變化和電極反應動力學緩慢仍然是顯著的挑戰，需要付出巨大努力來改善K⁺反應動力學和結構穩健性，以進一步增強電極材料的鉀存儲能力。

在此，通過自模板催化精確合成了一種新型負極材料，其中包覆有N摻雜碳的小尺寸CoP納米粒子固定在一維氮摻雜碳框架（CoP@NC?NCFs）中。分級結構具有多種結構優勢，包括更多的活性位點和由富氮提供的超高電導率、CoP與N摻雜碳之間的強界面相互作用以及結構的穩定性。結果，通過恒電流間歇滴定和密度函數理論計算，實現了快速的鉀離子反應動力學和CoP對鉀離子的強吸附。此外，通過先進的原位表征技術，闡明了CoP與鉀離子的固溶反應機理。在 0.1 A g^-1下循環1200次，容量≈206mah g^?1，實現 0.01%的超低衰減率。相應的K離子全電池也按預期制備，并顯示出穩定的容量保持率。

6.Small：用于高穩定性鉀離子電池的硒化鎢@N摻雜碳納米管的合理設計

鉀離子電池（PIB）由于其高能量密度和低成本被認為是最有前途的儲能系統之一。然而，由于合適的電極材料有限，它們的商業應用遠不能令人滿意。

在此，首次通過對WO₃@聚吡咯進行硒化，合理設計和合成了核殼結構的WSe₂@N摻雜碳納米管。WSe₂的大層間距可以促進K⁺的嵌入/脫嵌。同時，核殼結構的納米管提供了有利的內部空隙空間以適應WSe₂的體積膨脹騎車時。因此，所獲得的電極表現出優異的電化學性能，在120次循環后在100 mA g^-1下具有301.7 mAh g^-1的高容量，并且即使在1300次循環后，在500 mA g^-1下仍可保持122.1mAh g^-1。異位X射線衍射分析揭示了WSe₂ @N摻雜C的K離子存儲機制，包括嵌入和轉化反應。密度函數理論(DFT)計算證明了K⁺的合理擴散路徑。另外，得到的WSe²@N摻雜的碳納米管已被用作鋰離子電池的負極材料，其也表現出良好的倍率性能和高循環穩定性。因此，這項工作為具有長循環穩定性的新型結構電極材料的配比設計提供了一種新方法。

孫世剛

物理化學家，長期從事電化學和表界面科學研究。2015年當選為中國科學院院士。

7.Electrochimica Acta：通過增加密度和改變Fe-N_X活性位點的電子結構來提高Fe-N/C催化劑的ORR性能

化石能源危機的到來，使得開發清潔、可持續的能源迫在眉睫。燃料電池作為一種能夠將燃料的化學能轉化為電能的新型能源裝置，以其理論效率高、模塊化、無有毒氣體、無噪聲排放等優點而受到廣泛關注。氧還原反應（ORR）是燃料電池關鍵的半反應，其反應動力學緩慢導致的高過電位大大降低了燃料電池運行過程中的實際輸出功率。鉑族金屬（PGM）是最廣泛使用的ORR催化劑，但其高昂的價格和稀缺的來源嚴重限制了燃料電池的商業化。因此，開發不含鉑族金屬作為替代品的ORR催化劑具有重要的研究價值。

由于高活性 Fe-N_X配位部分的存在，鐵氮/碳(Fe-N/C)材料被認為是氧還原反應(ORR)的潛在電催化劑。增加Fe-N_X位點的密度被認為是提高Fe-N/C催化劑ORR性能的有用策略。在此，報道了一種分步合成策略，以構建具有高比例介孔和高濃度可達Fe-N_X活性位點的Fe-N/C催化劑。綜合成分和形貌特征，合成的Fe-N/C meso-evap催化劑具有較好的ORR活性，在0.1 M HClO4中，0.8 V時半電位為0.835 V，動力學電流密度為31.02 mA cm²。這項工作為設計面向ORR的單原子催化劑提供了新的思路。

8.ACS Applied Materials & Interfaces：一種溫和的CO₂蝕刻方法來定制質子交換膜燃料電池中無鉑氧還原催化劑的孔結構

孔的結構調整對于用于質子交換膜燃料電池中氧還原反應(ORR)的高性能Fe/N/C電催化劑至關重要。當前的孔結構工程策略通常伴隨著與內在活性相關的表面的劇烈變化，這可能掩蓋了多孔結構對ORR活性的真實影響。

在此，采用溫和的二氧化碳(CO₂)蝕刻方法靈活調整Fe/N/C電催化劑的孔結構，而不會對其表面結構和性能產生劇烈變化。通過這種方式，通過使用Fe/N/C電催化劑作為模型，揭示了孔結構對ORR活性的內在影響。此外，CO₂蝕刻方法開發了一種高質量的電催化劑（樣品Fe/N/C–5% CO₂），其極化性能在燃料電池工作電壓范圍內（> 0.65 V）超過了商用Pt/C催化劑。這項工作將促進對Fe/N/C電催化劑中孔結構合理設計的深入研究。

9.Energy Storage Materials：具有內部離子電導/外部電子絕緣混合結構的異質SEI膜實現高循環性和高電壓鋰金屬電池

在SEI膜中建立電子阻礙/離子轉移通路是高性能鋰金屬負極(LMA)的關鍵問題，這需要具有高離子電導率的SEI以實現快速的Li⁺擴散和調節的鋰沉積行為，以及較差的電子電導率以阻止電解質消耗。

在此，提出了一種策略，通過選擇性還原電解質組分來構建異質 SEI，以提高鋰的穩定性并抑制枝晶生長。SEI膜的內部富N子層能夠實現結節狀鋰沉積的快速Lⁱ⁺傳輸，而SEI膜的外部富C子層具有電子絕緣性能阻止電解質分解。這種混合SEI賦予LMA高庫侖效率 (99.0%)、長壽命和枝晶抑制。理論計算、XPS和AFM被用來檢查異質SEI結構并闡明其形成機制。在超薄鋰陽極(25μm)、低N/P比(1.67)的LiCoO₂/Li袋電池中，在0.5 C條件下循環160次后，電池的容量保持率為91.6%；在較高的充電電位(4.5 V)下循環300次后，電池的容量保持率為85.7%。對異質SEI形成的洞察為實現高性能鋰金屬電池的合理電子/離子轉移途徑構建提供了新的機會。

1.Xu J, Li Y, Lu P, et al. Water‐Stable Sulfide Solid Electrolyte Membranes Directly Applicable in All‐Solid‐State Batteries Enabled by Superhydrophobic Li⁺‐Conducting Protection Layer. Advanced Energy Materials. 2021.

2.Liu Z, Zhang C, Tian M, et al. Cationic disordering modulated electrochemical performances of layer-structured Li2MoO3. Materials Today Physics. 2021;21.

3.Peng J, Wu D, Song F, et al. High Current Density and Long Cycle Life Enabled by Sulfide Solid Electrolyte and Dendrite‐Free Liquid Lithium Anode. Advanced Functional Materials. 2021.

4.Lv D, Wang D, Wang N, et al. Nitrogen and fluorine co-doped TiO2/carbon microspheres for advanced anodes in sodium-ion batteries: High volumetric capacity, superior power density and large areal capacity. Journal of Energy Chemistry. 2022;68:104-112.

5.Yun Y, Xi B, Tian F, et al. Zero‐Strain Structure for Efficient Potassium Storage Nitrogen‐Enriched Carbon Dual‐Confinement CoP Composite. Advanced Energy Materials. 2021.

6.Chen X, Muheiyati H, Sun X, et al. Rational Design of Tungsten Selenide @ N-Doped Carbon Nanotube for High-Stable Potassium-Ion Batteries. Small. Nov 25 2021:e2104363.

7.Qu X, Li Y, Li G, et al. Boosting the ORR performance of Fe-N/C catalyst via increasing the density and modifying the electronic structure of Fe-NX active sites. Electrochimica Acta. 2022;403.

8.Wan L, Chen W, Xu H, et al. A Mild CO2 Etching Method To Tailor the Pore Structure of Platinum-Free Oxygen Reduction Catalysts in Proton Exchange Membrane Fuel Cells. ACS Appl Mater Interfaces. Sep 29 2021;13(38):45661-45669.

9.Zhang S-J, Yin Z-W, Wu Z-Y, et al. Achievement of high-cyclability and high-voltage Li-metal batteries by heterogeneous SEI film with internal ionic conductivity/external electronic insulativity hybrid structure. Energy Storage Materials. 2021;40:337-346.