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1. Yang-Kook Sun&Seung-Taek Myung最新AM：來(lái)自大自然的禮物：二次電池的仿生材料

電池頂刊集錦：黃云輝/楊全紅/謝清水/梁叔全/何海勇/張新宇/劉智驍?shù)热俗钚鲁晒? src=

自然界中的材料已經(jīng)進(jìn)化成最有效的形式，并在數(shù)萬(wàn)年的時(shí)間里適應(yīng)了各種環(huán)境條件。由于它們的多功能和環(huán)境友好性，許多人嘗試將仿生材料用于工業(yè)應(yīng)用，從而確立了仿生學(xué)的重要性。仿生學(xué)已經(jīng)成為在可充電二次電池領(lǐng)域?qū)で蠹夹g(shù)突破的關(guān)鍵。近日，韓國(guó)世宗大學(xué)Yang-Kook Sun（通訊作者）和漢陽(yáng)大學(xué)Seung-Taek Myung（通訊作者）等人在材料研究頂級(jí)期刊Adv. Mater.上發(fā)表了題為”Gifts from Nature: Bio-Inspired Materials for Rechargeable Secondary Batteries”的綜述論文。

作者討論了可用于二次電池的仿生材料的特性及其作為電池主要部件(如電極、隔膜和粘結(jié)劑)應(yīng)用的好處。介紹了仿生材料在合成復(fù)雜結(jié)構(gòu)納米材料、生物質(zhì)制備低成本電極材料、鋰離子電池生物分子有機(jī)電極等方面的應(yīng)用。此外，還討論了天然隔膜和粘結(jié)劑，包括它們?cè)谔岣唠姵匦阅芎桶踩苑矫娴淖饔?。還提到了鈉離子電池、鋅離子電池和柔性電池等下一代二次電池的最新進(jìn)展，以了解在這些新的電池系統(tǒng)中使用仿生材料的可行性。最后，總結(jié)了目前的研究趨勢(shì)，并提出了未來(lái)的研究方向，為二次電池仿生技術(shù)的發(fā)展提供了重要的科學(xué)和實(shí)際問(wèn)題的見(jiàn)解。

可充電二次電池的代表性仿生材料及相應(yīng)策略

生物模板材料生物模板尺寸的顯微圖像

作為模板材料的樹(shù)和硅藻切片的顯微鏡圖像

Gifts from Nature: Bio-Inspired Materials for Rechargeable Secondary Batteries(Adv. Mater., 2021, DOI: 10.1002/adma.202006019)

2. 梁叔全&潘安強(qiáng)&何海勇最新AM：鈉離子電池倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性新策略

大量研究表明，由于層間距的增大，增加了層間距，從而提高了碳負(fù)極的倍率能力。然而，當(dāng)掃描速率大于1 mV s^?1時(shí)，擴(kuò)散控制容量的百分比小于30%，這表明對(duì)炭素負(fù)極倍率能力提高原理的認(rèn)識(shí)是不準(zhǔn)確的。近日，中南大學(xué)梁叔全（通訊作者），潘安強(qiáng)（通訊作者）和寧波材料所何海勇（通訊作者）等人在材料研究頂級(jí)期刊Adv. Mater.上發(fā)表了題為”Increasing Accessible Subsurface to Improving Rate Capability and Cycling Stability of Sodium-Ion Batteries”的研究性論文。

作者研究發(fā)現(xiàn)，雜原子摻雜對(duì)體相碳層間距影響不大，即擴(kuò)散控制能力很難通過(guò)摻雜來(lái)提高。然而，在拉應(yīng)力協(xié)同作用下，次表層的層間距明顯擴(kuò)大到0.40 nm，這將增加高電流密度下可接近的次表層的厚度。此外，碳結(jié)構(gòu)的高度可逆性確保了超長(zhǎng)循環(huán)的穩(wěn)定性，因此，即使在10 A g^?1下進(jìn)行6000次循環(huán)，SRNDC700的衰減率也只有0.0025%。本文對(duì)摻雜改善炭質(zhì)負(fù)極電化學(xué)性能的機(jī)理有了新的認(rèn)識(shí)，為碳摻雜提供了一種新的設(shè)計(jì)思路。

富硫氮摻雜三維多孔碳骨架(SRNDC)可逆鈉化/去離子化的示意圖

SRNDC-700形貌和結(jié)構(gòu)示意圖

SRNDC-700的XPS，拉曼和孔隙率測(cè)試

Increasing Accessible Subsurface to Improving Rate Capability and Cycling Stability of Sodium-Ion Batteries(Adv. Mater., 2021, DOI: 10.1002/adma.202100808)

3. 湖南大學(xué)劉智驍&陳小華最新AM：糖精竟然可以穩(wěn)定鋅負(fù)極

由于負(fù)極/電解質(zhì)界面(AEI)不穩(wěn)定，鋅負(fù)極庫(kù)侖效率(CE)較低，枝晶形成嚴(yán)重。循環(huán)前形成的雙電層(EDL)結(jié)構(gòu)對(duì)在鋅表面形成穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面(SEI)具有重要意義，但以往對(duì)鋅負(fù)極穩(wěn)定性的研究很少。近日，湖南大學(xué)劉智驍（通訊作者）和陳小華（通訊作者）等人在材料研究頂級(jí)期刊Adv. Mater.上發(fā)表了題為”Stabilizing Zinc Anodes by Regulating the Electrical Double Layer with Saccharin Anions”的研究性論文。

作者引入糖精(SAC)作為電解質(zhì)添加劑來(lái)調(diào)節(jié)AEI上的EDL結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，SAC衍生的陰離子優(yōu)先吸附在鋅金屬表面，而不是水偶極子，形成了一種新的貧水的電致發(fā)光結(jié)構(gòu)。此外，由于SAC陰離子的分解，在Zn表面也檢測(cè)到了獨(dú)特的SEI。兩者都被證明能夠調(diào)節(jié)鋅的沉積行為并防止副反應(yīng)。使用SAC添加劑的鋅鋅對(duì)稱(chēng)電池在惡劣的測(cè)試條件下(10 mA cm^?2，10 mAh cm^?2)，可提供2.75 Ah cm^?2的高容量和99.6%的高CE。在40 mA cm^?2的高倍率下也獲得了良好的穩(wěn)定性。在Zn-MnO₂全電池中進(jìn)一步證明了該添加劑的有效性。

不同電極的結(jié)構(gòu)表征

電極的XPS表征

電池的電化學(xué)性能

Stabilizing Zinc Anodes by Regulating the Electrical Double Layer with Saccharin Anions(Adv. Mater., 2021, DOI: 10.1002/adma.202100445)

4. 廈門(mén)大學(xué)謝清水&彭?xiàng)澚鹤钚翧M:精確調(diào)節(jié)富鋰錳基正極材料初始庫(kù)侖效率

富鋰錳基正極材料是高能量密度鋰離子電池的潛在正極材料。然而，低的初始庫(kù)侖效率嚴(yán)重阻礙了LRM的商業(yè)化。近日，廈門(mén)大學(xué)謝清水（通訊作者）和彭?xiàng)澚海ㄍㄓ嵶髡撸┑热?/strong>在材料研究頂級(jí)期刊Adv. Mater.上發(fā)表了題為”A Universal Strategy toward the Precise Regulation of Initial Coulombic Efficiency of Li-Rich Mn-Based Cathode Materials”的研究性論文。

作者提出了一種簡(jiǎn)單易行的油酸輔助界面工程，用于精確控制離子交換膜，有效提高LRM可逆容量和速率性能。結(jié)果，LRM的ICE可以精確地從84.1%調(diào)整到100.7%，并且在0.1 C下獲得了330 mAh g^-1的非常高的比容量，以及在5 C下具有250 mAh g^-1的比容量。理論計(jì)算表明，引入的陽(yáng)離子/陰離子雙缺陷可以降低Li⁺離子的擴(kuò)散勢(shì)壘，原位表面重建層可以誘導(dǎo)一個(gè)自?xún)?nèi)置電場(chǎng)來(lái)穩(wěn)定表面晶格氧。這項(xiàng)工作為通過(guò)多策略協(xié)同界面工程技術(shù)提高LRM的綜合電化學(xué)性能提供了一個(gè)有價(jià)值的新思路。

OA輔助界面工程示意圖

OAT-3表面區(qū)的HAADF-STEM圖像

電池的電化學(xué)性能

A Universal Strategy toward the Precise Regulation of Initial Coulombic Efficiency of Li-Rich Mn-Based Cathode Materials(Adv. Mater., 2021, DOI: 10.1002/adma.202103173)

5. 臥龍崗大學(xué)Gordon G. Wallace& Jun Chen最新AFM綜述：3D打印穿戴式電化學(xué)能源裝置

可穿戴電子產(chǎn)品的新興市場(chǎng)刺激了對(duì)柔性且可靠的能量?jī)?chǔ)存和轉(zhuǎn)換單元（包括電池，超級(jí)電容器和熱電化電池）的商業(yè)化的需求迅速增長(zhǎng)。3D打印是一種快速生長(zhǎng)的制造技術(shù)套件，由于其相對(duì)較低的成本，設(shè)計(jì)自由度和可控的，可重復(fù)的原型設(shè)計(jì)能力，廣泛地用于上述能量相關(guān)領(lǐng)域。然而，可加工油墨配方和準(zhǔn)確的材料/裝置設(shè)計(jì)存在挑戰(zhàn)。近日，臥龍崗大學(xué)Gordon G. Wallace（通訊作者）和Jun Chen（通訊作者）等人在材料研究頂級(jí)期刊Adv. Funct. Mater.上發(fā)表了題為”3D-Printed Wearable Electrochemical Energy Devices”的綜述論文。

作者通過(guò)總結(jié)最近在3D印刷的可穿戴電化學(xué)能量裝置中的進(jìn)步并討論當(dāng)前的限制和未來(lái)的發(fā)展。

各種可穿戴式電化學(xué)能量裝置的概要說(shuō)明

可穿戴式電化學(xué)能源裝置的常規(guī)制造方法

3D打印系統(tǒng)的示意圖

3D-Printed Wearable Electrochemical Energy Devices(Adv. Funct. Mater., 2021, DOI: 10.1002/adfa.202103092)

6. 日本京都大學(xué)Atsuo Yamada最新綜述：固體電解質(zhì)界面形成理論分析

固體電解質(zhì)界面(SEI)是電池電極上的一層離子導(dǎo)電層，它是在初始充電過(guò)程中電解液還原分解而形成的。SEI的性質(zhì)對(duì)電池的安全性、功率和壽命有很大影響。因此，闡明SEI層的形成機(jī)制已成為當(dāng)務(wù)之急。傳統(tǒng)的理論計(jì)算揭示了電解質(zhì)還原分解的初始基本步驟，而實(shí)驗(yàn)方法主要集中在最終形成的SEI的表征上。此外，理論和實(shí)驗(yàn)方法都不能接近SEI增長(zhǎng)的中間或瞬時(shí)狀態(tài)。近日，日本京都大學(xué)Atsuo Yamada（通訊作者）等人在材料研究頂級(jí)期刊Adv. Mater.上發(fā)表了題為”Frontiers in Theoretical Analysis of Solid Electrolyte Interphase Formation Mechanism”的綜述論文。

作者重點(diǎn)介紹了近年來(lái)在揭示其生長(zhǎng)機(jī)理方面的理論成果，并為設(shè)計(jì)穩(wěn)定的先進(jìn)電池SEI層提供了明確的指導(dǎo)。

鋰離子電池固體電解質(zhì)界面(SEI)示意圖

SEI形成過(guò)程的實(shí)驗(yàn)和理論分析概述

不同時(shí)空尺度下SEI形成過(guò)程的理論模擬方法綜述

Frontiers in Theoretical Analysis of Solid Electrolyte Interphase Formation Mechanism(Adv. Mater., 2021, DOI: 10.1002/adma.202100574)

7. 天津大學(xué)楊全紅&上海師范大學(xué)Ying Wan最新AM：鋰硫電池中多硫化物穿梭的選擇性催化修復(fù)

可溶性鋰多硫化物在電極間穿梭，導(dǎo)致容量衰減嚴(yán)重，電解液使用量過(guò)大，嚴(yán)重制約了鋰硫電池的實(shí)用化。近日，天津大學(xué)楊全紅（通訊作者）和上海師范大學(xué)Ying Wan（通訊作者）等人在材料研究頂級(jí)期刊Adv. Mater.上發(fā)表了題為”Selective Catalysis Remedies Polysulfide Shuttling in Lithium-Sulfur Batteries”的研究性論文。

作者提出選擇性催化是解決固-液-固硫連續(xù)氧化還原反應(yīng)的根本途徑。概念驗(yàn)證的銦(In)基催化劑有針對(duì)性地減緩了固-液轉(zhuǎn)化、元素硫向多硫化物的溶解，而加速了液-固轉(zhuǎn)化、多硫化物向不溶性L(fǎng)i₂S的沉積，基本上減少了多硫化物在電解液中的積累，最終抑制了穿梭效應(yīng)。通過(guò)改變反應(yīng)活化能和動(dòng)力學(xué)電流，改變反應(yīng)路徑，結(jié)合所探索的動(dòng)態(tài)變化催化劑(LiInS₂催化劑)，以及In基催化劑的逐漸失活，從實(shí)驗(yàn)和理論上揭示了選擇性催化作用。這種基于In的電池在4.0 C下穩(wěn)定工作在1,000次循環(huán)中，初始面積容量高達(dá)9.4 mAh cm^?2，硫負(fù)載量為≈9.0 mg cm^?2。

解決可溶性多硫化鋰“穿梭效應(yīng)”的策略

In基正極與無(wú)In正極的電化學(xué)性質(zhì)比較

In基鋰硫電池與不含In電池的電化學(xué)性能比較

Selective Catalysis Remedies Polysulfide Shuttling in Lithium-Sulfur Batteries(Adv. Mater., 2021, DOI: 10.1002/adma.202101006)

8. 黃云輝&秦家千&張新宇最新Naon Energy:纖維素納米纖維-氧化鋯隔膜抑制鋅枝晶

目前提倡的抑制鋅枝晶的電極和電解質(zhì)的優(yōu)化策略對(duì)于水性鋅離子電池仍然具有挑戰(zhàn)性。近日，華中科技大學(xué)黃云輝（通訊作者），朱拉隆功大學(xué)秦家千（通訊作者）和燕山大學(xué)張新宇（通訊作者）等人在材料研究頂級(jí)期刊Nano Energy上發(fā)表了題為“Modulating Zn deposition via ceramic-cellulose separator with interfacial polarization effect for durable zinc anode”的研究性論文。

作者開(kāi)發(fā)了一種纖維素納米纖維-氧化鋯復(fù)合(ZC)隔膜，其具有易于制造和成本有效的特征，以穩(wěn)定鋅陽(yáng)極。ZC隔膜的設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)出色的離子電導(dǎo)率和高Zn²⁺轉(zhuǎn)移數(shù)(0.69)，高介電常數(shù)的氧化鋯顆粒通過(guò)麥克斯韋-瓦格納極化效應(yīng)提供定向電場(chǎng)，調(diào)節(jié)均勻的鋅沉積，加速Zn²⁺離子擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)并排斥陰離子，從而穩(wěn)定鋅陽(yáng)極并抑制鈍化反應(yīng)。陶瓷-纖維素隔膜為建造用于大規(guī)模儲(chǔ)能的先進(jìn)鋅負(fù)極提供了一種有吸引力的策略。

隔膜的形貌表征

隔膜的電化學(xué)性能測(cè)試

Zn²⁺通過(guò)隔膜可能的遷移過(guò)程示意圖

Modulating Zn deposition via ceramic-cellulose separator with interfacial polarization effect for durable zinc anode（Nano Energy，2021， DOI:10.1016/j.nanoen.2021.106322）

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