1. 北大夏定國AM：釋放富鋰錳基氧化物在快充鋰離子電池中的潛力

富鋰錳基氧化物作為下一代高能量密度鋰離子電池的潛在正極材料，因其放電容量超過250 mAh g^-1而受到全世界的廣泛關(guān)注。然而，較低的倍率能力和電壓衰減問題帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。提高倍率性能的傳統(tǒng)方法，如納米和多孔結(jié)構(gòu)設(shè)計，會增加正極的表面積，從而加速有害的錳離子遷移和氧氣釋放。

圖1.?材料結(jié)構(gòu)表征

北京大學(xué)夏定國等受城市道路立交橋建設(shè)的啟發(fā)，通過在晶體中加入孿晶結(jié)構(gòu)，成功合成了具有準(zhǔn)三維（quasi-3D）鋰離子擴散通道的富鋰正極材料，這突破了正極材料納米級和多孔設(shè)計的傳統(tǒng)策略。

通過X射線衍射(XRD)、掃描透射電子顯微鏡(STEM)和電子反向散射衍射(EBSD)等綜合結(jié)構(gòu)表征技術(shù)，作者觀察到制備的單分散微米級原生粒子具有很高的孿晶密度。密度泛函理論（DFT）計算揭示了具有增強鋰離子擴散系數(shù)的準(zhǔn)三維鋰離子擴散通道的構(gòu)建。

圖2.?電化學(xué)性能研究

結(jié)果，制備的材料在0.1C時的比容量為303 mAh g^-1，在1C時的比容量為253 mAh g^-1。更重要的是，孿生結(jié)構(gòu)還起到了”防波堤”的作用，抑制了錳離子的遷移，提高了整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而實現(xiàn)了長期循環(huán)穩(wěn)定性，在1C下經(jīng)過200次循環(huán)后，容量保持率為85%。這項工作提出的在層狀富鋰正極中構(gòu)建準(zhǔn)三維通道的策略將為其他層狀氧化物正極的研究和開發(fā)開辟新的途徑，并有可能應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。

圖3.?陰離子氧化還原行為

Unlocking The Potential of Li-rich Mn-based Oxides for High-rate Rechargeable Lithium-ion Batteries. Advanced Materials 2023. DOI: 10.1002/adma.202307138

2. 曾英/舒朝著EnSM：通過偶極-偶極相互作用實現(xiàn)界面調(diào)節(jié)助力無負(fù)極鋰金屬電池

鋰電極表面固體電解質(zhì)界面（SEI）的結(jié)構(gòu)和組成決定了鋰金屬電池（LMB）中鋰的沉積/剝離行為，而這種行為是由電解液中Li⁺離子的溶劑化結(jié)構(gòu)決定的。

圖1.?電解液的溶劑化結(jié)構(gòu)表征

成都理工大學(xué)曾英、舒朝著等提出了一種通過引入陰離子受體（3-（三氟甲基）苯硼酸，F(xiàn)BA）來調(diào)整Li⁺離子溶劑化結(jié)構(gòu)中陰離子配位環(huán)境的偶極-偶極相互作用策略。根據(jù)拉曼光譜分析和分子動力學(xué)（MD）模擬，得益于FBA分子中的缺電子硼（B）位點與TFSI-陰離子之間的偶極-偶極相互作用，豐富的TFSI-陰離子參與到Li⁺離子的溶劑化鞘中，降低了TFSI-陰離子的還原穩(wěn)定性。

此外，陰離子親和力強的FBA分子能有效增加Li⁺離子溶劑化結(jié)構(gòu)中NO₃-陰離子的數(shù)量。因此，在陰離子受體修飾電解液中成功構(gòu)建了富含雙陰離子（TFSI-和NO₃-）的Li⁺離子溶劑化結(jié)構(gòu)。

圖2.?對鋰負(fù)極的影響

得益于上述溶劑化結(jié)構(gòu)，這項工作成功地在鋰電極表面構(gòu)建了具有優(yōu)異電子絕緣性、高機械堅固性和鋰離子導(dǎo)電性的優(yōu)良SEI，從而有效地抑制了鋰枝晶的形成，改善了鋰離子沉積動力學(xué)。

因此，采用陰離子受體修飾電解液的Li|Li電池可在600次循環(huán)內(nèi)實現(xiàn)可逆的鋰沉積/剝離。組裝的無負(fù)極Cu||LFP全電池可顯著提高循環(huán)穩(wěn)定性，在180次循環(huán)后仍能保持73.6%的初始容量。此外，N/P比為3.42以下的Cu@Li||S全電池的循環(huán)穩(wěn)定性也顯著提高（200次循環(huán)后容量保持率超過70.38%）。

圖3.?全電池性能

Dendrite-free Lithium Deposition enabled by Interfacial Regulation via Dipole-dipole Interaction in Anode-free Lithium Metal Batteries. Energy Storage Materials 2023. DOI: 10.1016/j.ensm.2023.102959

3. 鄧遠(yuǎn)富AFM：具有原位Li3N-SEI的三維框架用于高性能鋰金屬電池

鋰（Li）金屬在下一代可充電池中的實際應(yīng)用仍然受到鋰枝晶不可控生長和反復(fù)沉積/剝離下體積變化嚴(yán)重的阻礙。引入三維結(jié)構(gòu)為鋰儲存預(yù)留空間，并通過親鋰界面層誘導(dǎo)均勻沉積/剝離是解決這些問題的有效策略。

圖1.?Fe-N@SSM-Li的構(gòu)建及表征

華南理工大學(xué)鄧遠(yuǎn)富等成功制備了一種新型三維復(fù)合鋰負(fù)極（Fe-N@SSM-Li）來穩(wěn)定鋰負(fù)極。具體而言，首先，以尿素為氮源，通過一步熱處理將Fe₂N/Fe₃N（Fe- N）位點均勻錨定在疏鋰不銹鋼網(wǎng)（SSM）上，得到Fe-N@SSM。然后，引發(fā)金屬鋰與Fe-N@SSM的原位轉(zhuǎn)化反應(yīng)，生成親鋰的Li₃N和Fe-N@SSM-Li復(fù)合負(fù)極，后者具有優(yōu)異的鋰親和性和高離子導(dǎo)電性。

結(jié)果，制備的Fe-N@SSM-Li具有獨特的親鋰和導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，能有效地誘導(dǎo)鋰的均勻和致密沉積，并通過限制鋰在復(fù)合負(fù)極內(nèi)部的沉積來緩解體積變化，從而穩(wěn)定金屬鋰負(fù)極。此外，錨定在SSM表面的Li₃N親鋰位點改善Fe-N@SSM-Li復(fù)合負(fù)極的電化學(xué)動力學(xué)，降低了成核過電位。

圖2.?半電池性能

因此，F(xiàn)e-N@SSM-Li顯示出卓越的電化學(xué)性能，對稱電池在1 mA cm^-2/1 mAh cm^-2、5 mA cm^-2/3 mAh cm^-2和20 mA cm^-2/3 mAh cm^-2條件下的壽命分別為5000、2250和1350 h。此外，結(jié)合這種高度穩(wěn)定的Fe-N@SSM-Li，采用磷酸鐵鋰（LFP）和S/C正極的全電池都顯示出顯著改善的電化學(xué)性能。

這項工作為構(gòu)建具有新型三維結(jié)構(gòu)的高效鋰負(fù)極提供了一種低成本、可擴展的策略，并為鋰金屬電池及其他領(lǐng)域的研究提供了新的視角。

圖3.?全電池性能

A 3D Framework with an In Situ Generated Li3N Solid Electrolyte Interphase for Superior Lithium Metal Batteries. Advanced Functional Materials 2023. DOI: 10.1002/adfm.202308022

4. 王中林/唐偉Nat. Energy：接觸式電催化法高效回收廢舊鋰離子電池正極

隨著全球碳中和趨勢的發(fā)展，對鋰離子電池（LIB）的需求不斷增加。然而，目前的廢舊鋰離子電池回收方法在環(huán)保性、成本和效率方面亟待改進。

圖1.?CEC浸出回收鋰電池流程圖

中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所王中林院士、唐偉等提出了一種機械催化方法，即接觸電催化（CEC），利用接觸帶電產(chǎn)生的自由基在超聲波下促進金屬浸出。具體而言，作者提出了一種在有機酸浸出過程中使用CEC替代傳統(tǒng)還原劑的方法。在CEC中，在超聲波作用下通過空化氣泡引發(fā)固液連續(xù)接觸和分離，從而通過接觸電化不斷產(chǎn)生活性氧。此外，二氧化硅作為催化劑，可以循環(huán)使用。

圖2.?CEC浸出法提取金屬

研究發(fā)現(xiàn)，對于鋰鈷(III)氧化物（LCO），在90℃時，鋰的浸出效率可達100%，鈷的浸出效率為92.19%。對于鋰鎳錳鈷氧化物（NMC），在70℃時，鋰、鎳、錳和鈷的浸出效率分別為94.56%、96.62%、96.54%和98.39%。由于CEC的特點涉及可回收催化劑和機械活化反應(yīng)區(qū)，作者預(yù)計該方法可為鋰離子電池的回收提供一種綠色、高效和經(jīng)濟的方法，以滿足鋰離子電池生產(chǎn)成倍增長的需求。

圖3.?SiO₂用于CEC浸出的可回收性論證

A contact-electro-catalytic cathode recycling method for spent lithium-ion batteries. Nature Energy 2023. DOI: 10.1038/s41560-023-01348-y

5. 郭洪/謝繼陽EnSM：功能納米片填料提高PEO電解質(zhì)4倍離子電導(dǎo)率

基于聚合物電解質(zhì)的固態(tài)鋰金屬電池可滿足高能量密度的要求并緩解安全問題，但聚合物電解質(zhì)存在鋰離子遷移率低和機械強度弱的問題。因此，尋找功能性填料來提高現(xiàn)有聚合物電解質(zhì)的性能并探索其在離子傳輸中的作用，是一項非常實用的策略，具有重要意義。

圖1.?材料表征

云南大學(xué)郭洪、謝繼陽等基于結(jié)構(gòu)設(shè)計和表面功能化，構(gòu)建了一種具有正電荷場的片狀材料，以調(diào)節(jié)電解質(zhì)中的離子傳輸。研究發(fā)現(xiàn)，層狀結(jié)構(gòu)可降低聚合物的結(jié)晶度，表面氮原子可促使Li⁺均勻分布；同時，通過快速加熱技術(shù)在填料表面產(chǎn)生的氧缺陷可以限制TFSI-的移動，并提高Li⁺在電解質(zhì)中的遷移速率。

因此，值得注意的是，VO,N-CECN/PEO電解質(zhì)的離子電導(dǎo)率在室溫下達到1.08×10^-5 S cm^-1，幾乎是純PEO電解質(zhì)的五倍。

圖2.?對稱電池性能

令人印象深刻的是，組裝的鋰金屬對稱電池可以在0.8 mA cm^-2的電流密度下穩(wěn)定地沉積/剝離。此外，基于VO,N-CECN/PEO電解質(zhì)的全固態(tài)NCM811/Li電池顯示出卓越的循環(huán)穩(wěn)定性，在0.3 C下循環(huán)200次后，最終容量達到135 mAh g^-1，而PEO/LiTFSI電解質(zhì)體系的最終容量僅為42 mAh g^-1。這些發(fā)現(xiàn)表明，功能填料可改善聚合物的電化學(xué)特性，并為高性能固態(tài)電解質(zhì)提供可行的設(shè)計方案。

圖3.?全固態(tài)鋰金屬電池性能

Functional nanosheet fillers with fast Li+ conduction for advanced all-solid-state lithium battery. Energy Storage Materials 2023. DOI: 10.1016/j.ensm.2023.102954

6. 魏志祥/吳曉東/許晶晶ACS Nano：無共插層醚類電解液實現(xiàn)快充/寬溫鋰電

醚基電解液具有低粘度和低熔點的特點，是滿足快充和低溫鋰離子電池（LIB）日益增長要求的理想選擇。遺憾的是，石墨（Gr）電極與常用的醚類溶劑不兼容，因為它們會不可逆地共嵌入到Gr夾層中。

圖1.?電解液設(shè)計

國家納米科學(xué)中心魏志祥、中科院蘇州納米所吳曉東、許晶晶等提出以環(huán)戊基甲基醚（CPME）作為無共插層的醚溶劑，它含有一個具有較大空間位阻的環(huán)戊烷基團，可獲得對Li⁺的弱溶劑化能力和較寬的液相溫度范圍（-140 至+106℃）。具體而言，這項工作設(shè)計一種包含1 M LiTFSI-CPME/氟代碳酸乙烯酯（FEC）的弱溶劑化電解液（WSE）。

研究顯示，與二甲醚溶劑的雙醚官能團對Li⁺的強螯合作用相比，CPME溶劑的單齒醚結(jié)構(gòu)降低了螯合作用，從而減弱了CPME與Li⁺的結(jié)合能，增強了Li⁺的遷移/脫溶劑化能力。此外，加入FEC助溶劑后，電解液離子電導(dǎo)率提高到2.23 mS cm^-1，并進一步在Gr負(fù)極形成了堅固的富含LiF的SEI層。

圖2.?醚基電解液中Li+轉(zhuǎn)移/脫溶劑化能力對Gr電極相容性的影響

得益于簡單的脫溶劑化過程和Gr電極表面堅固的SEI層，所設(shè)計的WSE與Gr負(fù)極具有良好的兼容性。因此，Gr/L半電池在-60℃的超低溫條件下顯示出卓越的倍率能力和令人印象深刻的低溫性能，具有較高的比容量（319 mAh g^-1）。

采用這種WSE的實用磷酸鐵鋰（LFP）（負(fù)載≈25 mg cm^-2）/Gr（負(fù)載≈12 mg cm^-2）軟包電池在1 C下也顯示出穩(wěn)定的循環(huán)性能，1000次循環(huán)后具有高庫侖效率（≈99.9%）和高容量保持率（≈80%）。

更重要的是，得益于CPME溶劑超寬的液相溫度范圍和WSE的快速脫溶劑化能力，這種軟包電池還表現(xiàn)出良好的快充性能（5C充放電速率下的容量保持率約為52%）以及在-60℃超低溫條件下的巨大應(yīng)用潛力。

圖3.?全電池性能

Co-Intercalation-Free Ether-Based Weakly Solvating Electrolytes Enable Fast-Charging and Wide-Temperature Lithium-Ion Batteries. ACS Nano 2023. DOI: 10.1021/acsnano.3c04907

7. 周震/潘科成EEM：堆疊壓力如何影響全固態(tài)鋰金屬電池的性能？

基于固態(tài)電解質(zhì)（SE）的全固態(tài)鋰金屬電池（ASSLMB）因其能量密度更高、安全性更強，已成為液態(tài)電解液基鋰離子電池的理想替代品。然而，由于ASSLMB缺乏液態(tài)電解液的潤濕特性，因此需要堆疊壓力來緩解電極和SE之間的接觸損失。雖然之前的研究表明堆疊壓力會影響某些性能方面，但尚未對堆疊壓力的影響進行全面研究。

圖1.?堆疊壓力對SE中Li⁺遷移行為的影響

鄭州大學(xué)周震、潘科成等以Li₆PS₅Cl固態(tài)電解質(zhì)為參考，研究了堆疊壓力對SE和ASSLMB性能的影響，以填補領(lǐng)域空白。此外，這項工作還建立了模型來解釋這些影響的根本原因，并預(yù)測離子電導(dǎo)率和臨界電流密度等電池性能。研究發(fā)現(xiàn)，適度的壓力（30-50 MPa）是獲得高臨界電流密度和抑制枝晶生長的最佳條件。鋰箔與電解質(zhì)之間的接觸模式也會影響臨界電流密度，”點-平面”接觸配置會導(dǎo)致鋰沉積不均勻和過早短路。

圖2.?堆疊壓力對Li|LPSC|Li對稱電池中枝晶生長的影響

此外，研究發(fā)現(xiàn)，堆疊壓力也會影響全電池的首次循環(huán)的庫倫效率和比容量，壓力越高，庫倫效率和容量越大，但有一個極限，超過這個極限就會導(dǎo)致短路故障。有趣的是，中等壓力（10 MPa）可帶來最佳的循環(huán)穩(wěn)定性和整體庫倫效率。這些發(fā)現(xiàn)強調(diào)了在制備ASSLMB過程中優(yōu)化堆疊壓力以獲得更好性能和穩(wěn)定性的重要性。

圖3.?堆疊壓力對Li|LPSC|NCM811全電池性能的影響

How Does Stacking Pressure Affect the Performance of Solid Electrolytes and All-Solid-State Lithium Metal Batteries? Energy & Environmental Materials 2023. DOI: 10.1002/eem2.12670

8. 汪國秀/李寶華等Nat. Energy：磷腈衍生物使高壓鋰金屬電池在極端條件下運行

由于缺乏合適的電解液，目前的高能鋰金屬電池在安全性和使用壽命方面都受到了限制。

圖1.?NGPE的設(shè)計及其溶劑化結(jié)構(gòu)的研究

悉尼科技大學(xué)汪國秀、清華大學(xué)深圳國際研究生院李寶華、周棟、巴伊蘭大學(xué)Doron Aurbach、西班牙可替代能源合作研究中心Michel Armand等報告了一種優(yōu)化醚基電解液的多功能策略，在改善電極兼容性的同時消除了其安全性問題。具體而言，該策略展示了氟化助溶劑和丁烯氧基環(huán)三磷苯（BCPN）單體凝膠化處理的協(xié)同作用。研究發(fā)現(xiàn)，添加含氟助溶劑不僅能降低電解液的易燃性，還能定制鋰離子的溶劑化鞘，提高電解液的氧化穩(wěn)定性。

此外，與現(xiàn)有的凝膠聚合物電解質(zhì)相比，高交聯(lián)度的BCPN基聚合物基質(zhì)不僅避免了離子傳導(dǎo)的重大阻礙，還消除了火災(zāi)和電解液泄漏的安全風(fēng)險。此外，聚合后殘留的少量BCPN單體可作為高效的正極電解質(zhì)界面形成添加劑，進一步抑制正極上的電解質(zhì)氧化分解，防止鋰金屬電池中層狀過渡金屬氧化物正極的結(jié)構(gòu)劣化。

圖2.?電解質(zhì)與電極之間的界面兼容性

利用這種設(shè)計理念，基于可燃醚溶劑的凝膠聚合物電解質(zhì)系統(tǒng)可輕松表現(xiàn)出足夠的離子電導(dǎo)率（約1.12 mS cm^-1）、高氧化穩(wěn)定性（對Li/Li⁺的氧化電壓可達約 5.25 V）、在鋰金屬負(fù)極上良好的SEI形成能力（平均鋰沉積/剝離庫侖效率為 99.6%）和卓越的安全特性（即不易燃和不泄漏）。

此外，準(zhǔn)固態(tài)鋰Li| |NCM811電池具有穩(wěn)定的長期循環(huán)（300次循環(huán)后容量保持率超過88%）、優(yōu)異的低溫和抗壓性能以及耐濫用特性（即在變形和過充電條件下穩(wěn)定供電）。這項工作的發(fā)現(xiàn)為高能鋰金屬電池在惡劣工作條件下的有效運行邁出了重要一步。

圖3.?扣式全電池性能

Designing phosphazene-derivative electrolyte matrices to enable high-voltage lithium metal batteries for extreme working conditions. Nature Energy 2023. DOI: 10.1038/s41560-023-01339-z