1. 成均館大學(xué)AFM：結(jié)構(gòu)復(fù)合水凝膠電解質(zhì)用于柔性耐用鋅金屬電池
水凝膠電解質(zhì)由鹽離子、水溶劑和三維聚合物網(wǎng)絡(luò)組成，既是電解質(zhì)，又是隔膜。水凝膠電解質(zhì)可替代目前在水系鋅金屬電池（AZMB）中使用的液態(tài)電解質(zhì)/隔膜材料，因而備受關(guān)注。
圖1.?結(jié)構(gòu)復(fù)合水凝膠的設(shè)計(jì)與制備
成均館大學(xué)Ho Seok Park、Jaeyun Kim等設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)復(fù)合水凝膠電解質(zhì)，它通過(guò)在聚合物基質(zhì)中加入分級(jí)氧化鋁微孔，可獲得高機(jī)械強(qiáng)度、剛度、硬度、熱導(dǎo)率和大介電常數(shù)。研究顯示，該水凝膠電解質(zhì)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了機(jī)械堅(jiān)固性和快速的鋅離子傳輸，從而實(shí)現(xiàn)了均勻的鋅沉積，且無(wú)明顯的枝晶生長(zhǎng)和傳播。此外，該電解質(zhì)的快速散熱能力也證明了AZMB電池有效熱管理的潛力。
圖2.?結(jié)構(gòu)化復(fù)合水凝膠的表征
因此，采用設(shè)計(jì)電解質(zhì)的Zn||Zn對(duì)稱電池在各種溫度下都能表現(xiàn)出穩(wěn)定的Zn沉積//剝離行為。Zn||聚（3,4-亞乙二氧基噻吩）-五氧化二釩（PVO）全電池在 25℃和-20℃分別具有356.9 Wh kg-1和216.6 Wh kg-1的高能量密度，并可在1000次循環(huán)中保持長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
此外，具有高能量密度的軟包Zn||PVO全電池在彎曲、折疊、軋制、切成兩半或浸入沸水和冷凍水中時(shí)都能穩(wěn)定工作。
Structural Composite Hydrogel Electrolytes for Flexible and Durable Zn Metal Batteries. Advanced Functional Materials 2023. DOI: 10.1002/adfm.202309048
2. 忻獲麟EES：拓寬用于固態(tài)鋰金屬電池的固態(tài)離子導(dǎo)體選擇
固態(tài)電池的一項(xiàng)挑戰(zhàn)性任務(wù)是找到一種同時(shí)具有電子絕緣性、在低壓和高壓下均穩(wěn)定且可持續(xù)的固態(tài)離子導(dǎo)體。目前流行的陶瓷鋰離子導(dǎo)體（LIC）難以兼顧所有標(biāo)準(zhǔn)，因此在固態(tài)鋰金屬電池中的應(yīng)用受到限制。
圖1.?三明治SSE的原理圖和電化學(xué)性能
加州大學(xué)爾灣分校忻獲麟等報(bào)告了一種通用的固態(tài)電解質(zhì)設(shè)計(jì)范例，即將無(wú)機(jī)鋰離子導(dǎo)體夾在固態(tài)電子隔膜之間，這使得包括Li1.5Al0.5Ti1.5(PO4)3、LiV3O8和Li4Ti5O12在內(nèi)的各種無(wú)機(jī)鋰離子導(dǎo)體都能應(yīng)用于固態(tài)鋰電池。研究顯示，采用這種固態(tài)電解質(zhì)設(shè)計(jì)后，陶瓷鋰離子電池不再需要電子絕緣或（電）化學(xué)穩(wěn)定性要求。
圖2.?UVEA-LATP-UVEA電解質(zhì)中的界面電阻、形態(tài)和SEI研究
結(jié)果，在室溫下，鋰/鋰對(duì)稱電池實(shí)現(xiàn)了14 mA cm-2的高臨界電流密度（恒定沉積/剝離容量為0.5 mAh cm-2）和長(zhǎng)壽命循環(huán)（0.2 mA cm-2時(shí)7,000小時(shí)，0.5 mA cm-2時(shí)2,500小時(shí)）。
此外，在與LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2正極（質(zhì)量負(fù)載7.4 mg cm-2）配對(duì)的鋰全電池中，也實(shí)現(xiàn)了顯著的高容量保持率（400次循環(huán)后為87%）。這項(xiàng)研究的發(fā)現(xiàn)有望在實(shí)用固態(tài)電池中應(yīng)用范圍更廣、更可持續(xù)的離子導(dǎo)體，包括那些此前尚未得到認(rèn)可的離子導(dǎo)體。
Broadening solid ionic conductor selection for sustainable and earth-abundant solid-state lithium metal batteries. Energy & Environmental Science 2023. DOI: 10.1039/d3ee02657d
3. 張鎖江/蔡迎軍Nano Energy：PEO基復(fù)合電解質(zhì)助力全固態(tài)電池3100次循環(huán)！
復(fù)合電解質(zhì)具有較大的離子電導(dǎo)率和穩(wěn)定的無(wú)縫界面，被認(rèn)為是固態(tài)電池（SSBs）的潛在電解質(zhì)。
中科院過(guò)程所張鎖江院士、蔡迎軍等合成了一種由二氧化鈦（青銅型）納米管和聚環(huán)氧乙烷組成的柔性全固態(tài)復(fù)合電解質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，這種復(fù)合電解質(zhì)在SSB中具有優(yōu)異的界面?zhèn)鲗?dǎo)性和合理的電極兼容性。TiO2(B)與聚合物之間的界面相形成了新的鋰離子傳輸途徑，從而增強(qiáng)了界面?zhèn)鲗?dǎo)。
此外，密度泛函理論計(jì)算和分子動(dòng)力學(xué)模擬表明，TiO2(B)能促進(jìn)鋰鹽的解離，產(chǎn)生更多的游離鋰離子，從而提高離子傳導(dǎo)性。
此外，TOF-SIMS、Cryo-TEM和COMSOL Multiphysics的研究結(jié)果表明，TiO2(B)的加入可以實(shí)現(xiàn)富LiF界面層，從而實(shí)現(xiàn)快速的鋰離子傳輸和均勻的鋰沉積。因此，對(duì)稱鋰電池獲得了超過(guò)2350小時(shí)的優(yōu)異電化學(xué)性能和1.6 mA cm-2的高臨界電流密度。
此外，制備的LiFePO4/Li SSB在1 C下的超長(zhǎng)循環(huán)壽命超過(guò)3100次，令人印象深刻。總體而言，這項(xiàng)研究為合理設(shè)計(jì)PEO基SSB的超長(zhǎng)壽命開(kāi)辟了一條新途徑。
Exceptional interfacial conduction and LiF interphase for ultralong life PEO-based all-solid-state batteries. Nano Energy 2023. DOI: 10.1016/j.nanoen.2023.108985
4. 張易寧/陳遠(yuǎn)強(qiáng)ACS Nano：定制電解液的溶劑化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高溫鋰金屬電池
對(duì)于鋰金屬電池（LMB）而言，由于電極-電解液界面和電解液溶劑化結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，工作溫度升高會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的容量衰減和安全問(wèn)題。因此，構(gòu)建能夠耐受惡劣環(huán)境的先進(jìn)電解液以確保穩(wěn)定的LMB至關(guān)重要。
中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所張易寧、陳遠(yuǎn)強(qiáng)等通過(guò)引入具有高溶劑化能力的溶劑二乙二醇二甲醚（DGDME），提出了一種穩(wěn)定的局部高濃度電解液（LHCE）。計(jì)算和實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明，原始的DGDME-LHCE對(duì)高溫LMB具有有利的特性，包括高Li+結(jié)合穩(wěn)定性、抗電化學(xué)氧化性、熱穩(wěn)定性和不可燃性。
此外，量身定制的溶劑化鞘結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了陰離子的優(yōu)先分解，同時(shí)誘導(dǎo)出穩(wěn)定的（正極和鋰負(fù)極）/界面相，從而實(shí)現(xiàn)了負(fù)極側(cè)均勻的鋰沉積剝離行為和正極側(cè)的高耐壓性。
圖2.?電解液溶劑化結(jié)構(gòu)的表征
因此，與DGDME-LHCE相結(jié)合的鋰電池具有出色的可逆性（使用壽命超過(guò)1900小時(shí)）。此外，使用DGDME-LHCE的Li||NCM523電池展示了卓越的循環(huán)穩(wěn)定性（～95.59%，250次循環(huán)）、高庫(kù)侖效率（>99.88%）以及令人印象深刻的高壓（4.5 V）和高溫（60 °C）性能?？偟膩?lái)說(shuō)，這項(xiàng)研究為面臨嚴(yán)格高溫挑戰(zhàn)的鋰金屬電池提供了一種令人鼓舞的醚類電解液策略。
圖3.?分子動(dòng)力學(xué)研究和電化學(xué)性能表征
Stable Harsh-Temperature Lithium Metal Batteries Enabled by Tailoring Solvation Structure in Ether Electrolytes. ACS Nano 2023. DOI: 10.1021/acsnano.3c01895
5. 蘭大彭尚龍/黃娟娟AFM：改變Li2S的沉積模式獲得高穩(wěn)定鋰硫電池
多硫化鋰（LiPSs）嚴(yán)重的穿梭效應(yīng)和緩慢的動(dòng)力學(xué)過(guò)程會(huì)導(dǎo)致鋰硫電池（Li-S battery）循環(huán)性能差、工作效率低，從而限制了其商業(yè)化。
蘭州大學(xué)彭尚龍、黃娟娟等提出了一種具有透射軌道重疊的復(fù)合框架作為L(zhǎng)i-S電池的功能化隔膜（MX@WSSe/PP），它由WSSe納米片和MXenes納米片（MX）組成。實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)算均表明，MX@WSSe/PP不僅能抑制Li-S電池的穿梭效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)正極材料的有效利用，還能通過(guò)將Li2S的二維沉積模式轉(zhuǎn)化為三維模式，提高器件的整體可逆性和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)性能。
Li2S沉積模式的轉(zhuǎn)變?cè)从贛X@WSSe復(fù)合材料表面局部電荷密度的變化，它調(diào)節(jié)了電子軌道的填充狀態(tài)，影響了不同原子之間的軌道重疊。這種效應(yīng)甚至可以傳遞到遠(yuǎn)離MX@WSSe表面的Li2S分子。結(jié)果，使用MX@WSSe/PP的Li-S電池在2 C下的1000次循環(huán)中每循環(huán)的容量衰減僅為0.016%。此外，在高硫負(fù)載（10.2 mg cm-2）和低電解液/硫比率（7.5 uL mg-1）條件下，可實(shí)現(xiàn) 9.39 mAh cm-2的高面積容量。
Deposition Mode Design of Li2S: Transmitted Orbital Overlap Strategy in Highly Stable Lithium-Sulfur Battery. Advanced Functional Materials 2023. DOI: 10.1002/adfm.202309437
6. 魯兵安Small Structures：僅需0.07 wt%添加劑，實(shí)現(xiàn)超穩(wěn)定鉀離子電池
固體電解質(zhì)界面（SEI）對(duì)堿金屬離子電池負(fù)極的穩(wěn)定性至關(guān)重要。然而，缺乏彈性的傳統(tǒng)SEI會(huì)在負(fù)極（如鉀離子電池負(fù)極）的反復(fù)體積膨脹過(guò)程中受損，最終導(dǎo)致電池失效。
湖南大學(xué)魯兵安等在傳統(tǒng)碳酸酯電解液中使用了一種低含量添加劑（酞菁綠PG-7，0.07 wt%），以制備出一種具有優(yōu)異均勻性和良好化學(xué)穩(wěn)定性的網(wǎng)狀彈性SEI。這種策略的原理是，PG-7可以改變電解液的溶劑化結(jié)構(gòu)，并參與構(gòu)建SEI。因此，在 0.1 mA cm-2的低電流密度下，K||K對(duì)稱電池可循環(huán)使用1400小時(shí)以上。
此外，K||苝-3,4:9,10-四羧基二亞胺（PTCDI）電池可穩(wěn)定運(yùn)行1200次循環(huán)，容量保持率達(dá)82.8%，匹配的石墨||PTCDI全電池也可運(yùn)行200多次循環(huán)。理論計(jì)算和特性分析為這種策略和這種SEI的特性提供了綜合證據(jù)。
更值得注意的是，在傳統(tǒng)的稀碳酸酯電解液只需添加0.07 wt%就能顯著提高電池性能，而成本增加（0.17%）卻微乎其微。這些發(fā)現(xiàn)通過(guò)合理設(shè)計(jì)彈性SEI提供了一種新策略，有望進(jìn)一步提高充電電池的性能。
Reticular Elastic Solid Electrolyte Interface Enabled by an Industrial Dye for Ultrastable Potassium-Ion Batteries. Small Structures 2023. DOI: 10.1002/sstr.202300232
7. 毛智勇/董辰龍EnSM：利用親鈉Ga-Sn-In合金層優(yōu)化鈉的沉積/剝離
得益于豐富的鈉資源和高理論容量，可充鈉金屬電池在下一代儲(chǔ)能系統(tǒng)中展現(xiàn)出巨大潛力。然而，鈉負(fù)極的幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題限制了其廣泛應(yīng)用，包括鈉金屬的高活性、不可控的枝晶生長(zhǎng)和不穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面（SEI）。
天津理工大學(xué)毛智勇、董辰龍等將一種由Ga、Sn和In組成的液態(tài)合金均勻地涂覆在商用銅箔上，以調(diào)節(jié)Na的沉積/剝離行為，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的鈉金屬電池。研究顯示，銅箔上的液態(tài)親鈉鎵-錫-銦合金（GSIC）能增強(qiáng)電解液和熔融Na的潤(rùn)濕性，降低Na的成核過(guò)電位。根據(jù)原位掃描電子顯微鏡和原位光學(xué)顯微鏡的結(jié)果，Ga-Sn-In合金層可誘導(dǎo)Na均勻沉積，并降低體積膨脹，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)枝狀晶粒的能力。
結(jié)果實(shí)驗(yàn)顯示，以NVP為正極、最佳Na-GSIC為Na負(fù)極的鈉金屬全電池在首次循環(huán)時(shí)可獲得108.7 mAh g-1的高可逆容量，在5 C下循環(huán)250次后可獲得87.4 mAh g-1的容量（80.4%的保留率）?？傮w而言，這種親鈉液態(tài)合金集流體將為鈉金屬電池設(shè)計(jì)可行且高度穩(wěn)定的鈉金屬負(fù)極鋪平新的道路。
Optimizing Na plating/stripping by a liquid sodiophilic Ga-Sn-In alloy towards dendrite-poor sodium metal anodes. Energy Storage Materials 2023. DOI: 10.1016/j.ensm.2023.103020
8. 川大王宇/楊偉/傅雪薇AEM：超韌高導(dǎo)電納米偶極摻雜復(fù)合聚合物電解質(zhì)
實(shí)現(xiàn)具有類陶瓷的快速單離子傳導(dǎo)行為、隔膜所需的機(jī)械性能和良好的鋰枝晶抑制能力的固態(tài)聚合物電解質(zhì)（SPEs）對(duì)于固態(tài)鋰金屬電池的實(shí)際成功至關(guān)重要，但極具挑戰(zhàn)性?？朔@一長(zhǎng)期瓶頸的關(guān)鍵是合理設(shè)計(jì)聚合物離子導(dǎo)體內(nèi)部的Li+傳輸微環(huán)境。
圖1.?納米偶極摻雜復(fù)合聚合物電解質(zhì)（NDCPE）的設(shè)計(jì)
四川大學(xué)王宇、楊偉、傅雪薇等展示了一種有效的納米偶極摻雜策略，以在SPEs中實(shí)現(xiàn)對(duì)Li+傳輸友好的微環(huán)境。結(jié)果表明，偶極子類納米填料（即d-HNTs）可作為一種先進(jìn)的摻雜劑用于以PVDF為基礎(chǔ)的SPEs。
因此，該納米填料可用于制備超韌、高強(qiáng)度和高鋰離子傳導(dǎo)性的復(fù)合準(zhǔn)固態(tài)聚合物電解質(zhì)，即納米偶極摻雜復(fù)合聚合物電解質(zhì)（NDCPE）。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和模擬相結(jié)合的研究，作者進(jìn)一步揭示了d-HNTs通過(guò)產(chǎn)生更多離解鋰離子和固定陰離子來(lái)生成有利于Li+傳輸?shù)奈h(huán)境。
圖2.?d-HNTs納米偶極劑制備PVDF基NDCPE的研究
為深入理解可能的摻雜機(jī)制，這項(xiàng)工作進(jìn)一步提出并討論了涉及局部鏈構(gòu)象的鋰+-溶劑化混合模型。模擬研究表明，d-HNTs能有效降低PVDF鏈的靜電勢(shì)，這可能是d-HNTs作為先進(jìn)摻雜劑調(diào)節(jié)PVDF鏈電子結(jié)構(gòu)的主要原因。最后，NDCPE作為先進(jìn)的薄膜準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)被證明可用于高性能準(zhǔn)固態(tài)鋰金屬電池，具有均勻的鋰沉積和較長(zhǎng)的循環(huán)壽命。
總之，這項(xiàng)研究為設(shè)計(jì)和制備韌性強(qiáng)的薄膜固態(tài)電解質(zhì)開(kāi)辟了納米摻雜的途徑，這是未來(lái)各類固態(tài)鋰金屬電池和鋰離子電池取得實(shí)際成功的關(guān)鍵。
圖3. 基于NDCPE-5%和PVDF SPE的半電池在室溫下的電化學(xué)性能
A Supertough and Highly-Conductive Nano-Dipole Doped Composite Polymer Electrolyte with Hybrid Li+-Solvation Microenvironment for Lithium Metal Batteries. Advanced Energy Materials 2023. DOI: 10.1002/aenm.202302711
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