1. 天大胡文彬/丁佳/王浩志Nat. Commun.：優(yōu)化用于高性能鉀硫電池的多硫化鉀

鉀硫電池作為高能量、低成本的儲(chǔ)能系統(tǒng)備受關(guān)注，但實(shí)現(xiàn)硫的高利用率和長(zhǎng)期循環(huán)仍具有挑戰(zhàn)性。

圖1. 硫宿主設(shè)計(jì)的理論指導(dǎo)和篩選

天津大學(xué)胡文彬、丁佳、王浩志等采用了協(xié)同促進(jìn)多硫化鉀（KPSs）遷移和催化KPSs轉(zhuǎn)化的策略來(lái)制備高性能鉀硫電池?；诶碚摵Y選和復(fù)雜的合成過(guò)程，這項(xiàng)工作制備了含有單原子鎢（WSA）和碳化鎢（W₂C）復(fù)合材料的摻氮碳（NC）作為硫宿主。綜合實(shí)驗(yàn)分析和理論計(jì)算顯示，WSA物種優(yōu)化了W₂C物種對(duì)固態(tài) KPSs轉(zhuǎn)化的催化能力（更易于K₂S解離），并加速了催化位點(diǎn)附近的KPSs遷移（降低了K₂S/K₂S₂擴(kuò)散的能量勢(shì)壘）。

圖2.?材料合成及表征

因此，與不含WSA的W₂C@NC/S和不含鎢的NC/S相比，WSA-W₂C@NC/S 陰極的絕緣硫化物積累和催化能力不佳現(xiàn)象得到了有效緩解，從而實(shí)現(xiàn)了超高的硫利用率、高效率的硫氧化還原以及長(zhǎng)周期的穩(wěn)定性。這種電池的硫利用率為89.8%（1504 mAh g^-1），具有卓越的倍率能力（1675 mA g^-1時(shí)為1059 mAh g^-1），并可循環(huán)使用200次。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的KPSs遷移加速和轉(zhuǎn)化催化雙功能硫宿主策略為開(kāi)發(fā)高性能鉀硫電池帶來(lái)了更多可能性。

圖3.?電化學(xué)性能及硫氧化還原反應(yīng)機(jī)制

Optimizing potassium polysulfides for high performance potassium-sulfur batteries. Nature Communications 2024. DOI: 10.1038/s41467-024-45405-w

2. 中科大/溫大/蘭大Adv. Sci.：高耐濕性氯化物固態(tài)電解質(zhì)

鹵化物固態(tài)電解質(zhì)（SSEs）為全固態(tài)鋰電池（ASSLBs）的商業(yè)化帶來(lái)了希望；然而，目前具有成本效益的鋯基氯化物固態(tài)電解質(zhì)存在吸濕不可逆、離子電導(dǎo)率低和熱穩(wěn)定性不足等問(wèn)題。

圖1.?晶體結(jié)構(gòu)和離子導(dǎo)電性表征

中科大馬騁、溫州大學(xué)許杰、蘭州大學(xué)王凱等制備了一種新型的摻銦氯化鋯，以滿足上述要求，從而在室溫下獲得性能優(yōu)異的 ASSLB。與傳統(tǒng)的Li₂ZrCl₆和Li₃InCl₆固態(tài)電解質(zhì)相比，hc-Li_2+xZr_1-xIn_xCl₆（0.3 ≤ x ≤ 1）具有更高的離子電導(dǎo)率（高達(dá)1.4 mS cm^-1）和熱穩(wěn)定性（350℃）。同時(shí)，hc-Li_2.8Zr_0.2In_0.8Cl₆還表現(xiàn)出明顯的吸濕可逆性，在5%的相對(duì)濕度下暴露24小時(shí)后再進(jìn)行熱處理，其離子導(dǎo)電率的恢復(fù)率高達(dá)82.5%。

圖2.?Li-In│LPSCl│hc-Li_2.8Zr_0.2In_0.8Cl₆│scNMC811電池性能

理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這些優(yōu)點(diǎn)源于晶格膨脹和Li₃InCl₆·2H₂O水合物的形成，它們能有效降低鋰離子的遷移能壘，并提供可逆的水合/脫水途徑。最后，采用濕度暴露后重新加熱的Li_2.8Zr_0.2In_0.8Cl₆、單晶LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2和鋰銦合金組裝的ASSLB在25℃、1 C條件下循環(huán)500次后顯示出71%的容量保持率。這種新型高耐濕性氯化物電解質(zhì)有望極大地推動(dòng)ASSLBs的產(chǎn)業(yè)化。

圖3.?電解質(zhì)的耐濕性研究

High-Humidity-Tolerant Chloride Solid-State Electrolyte for All-Solid-State Lithium Batteries. Advanced Science 2024. DOI: 10.1002/advs.202305394

3. 武大周金平NML：可持續(xù)雙交聯(lián)纖維素水凝膠電解質(zhì)實(shí)現(xiàn)高性能鋅金屬電池

水系可充鋅金屬電池（ARZBs）被認(rèn)為是電網(wǎng)規(guī)模能源存儲(chǔ)最有前景的候選電池之一。然而，其廣泛的商業(yè)應(yīng)用在很大程度上受到三大挑戰(zhàn)的困擾：無(wú)法控制的鋅枝晶、臭名昭著的寄生副反應(yīng)以及緩慢的Zn²⁺離子轉(zhuǎn)移。

圖1.?DCZ-凝膠電解質(zhì)設(shè)計(jì)

武漢大學(xué)周金平等設(shè)計(jì)了一種含有三氟甲基磺酸鋅[Zn(OTf)₂]鹽的雙交聯(lián)（DC）纖維素水凝膠電解質(zhì)（簡(jiǎn)稱(chēng)DCZ-凝膠），該電解質(zhì)是采用化學(xué)和物理交聯(lián)順序策略，從纖維素/堿金屬氫氧化物/尿素水溶液中制備而成。獨(dú)特的直流網(wǎng)絡(luò)使水凝膠電解質(zhì)具有出色的機(jī)械強(qiáng)度（2.08Mpa，145%）和豐富的多孔網(wǎng)絡(luò)，離子傳輸能力達(dá)到38.6 mS cm^-1。Zn²⁺離子與纖維素鏈上的-OH基團(tuán)之間的相互作用可以調(diào)節(jié)[Zn(H₂O)₆]²⁺ 的溶劑化結(jié)構(gòu)。

圖2.?半電池性能

綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論計(jì)算，DCZ-凝膠電解質(zhì)可有效抑制枝晶的生長(zhǎng)和副反應(yīng)，從而獲得穩(wěn)定的鋅陽(yáng)極。因此，使用DCZ-凝膠電解質(zhì)的Zn||Zn電池可在10 mA cm^-2的高電流密度下穩(wěn)定循環(huán)400小時(shí)以上。

此外，DCZ-凝膠電解質(zhì)還能使Zn||聚苯胺電池實(shí)現(xiàn)高倍率和長(zhǎng)期循環(huán)性能（在2000 mA g^-1下大于2000次循環(huán)）。值得注意的是，該水凝膠電解質(zhì)易于獲得和生物降解，這使得ARZBs在可擴(kuò)展性和可持續(xù)性方面具有吸引力。

圖3.?Zn||PANI電池性能

A Sustainable Dual Cross-Linked Cellulose Hydrogel Electrolyte for High-Performance Zinc-Metal Batteries. Nano-Micro Letters 2024. DOI: 10.1007/s40820-024-01329-0

4. 武大付磊/曾夢(mèng)琪Matter：基于超潤(rùn)濕液態(tài)金屬界面的高耐用固態(tài)鋰電池

以鋰金屬陽(yáng)極為特征的固態(tài)電池（SSBs）的出現(xiàn)預(yù)示著電氣化運(yùn)輸?shù)闹卮髾C(jī)遇，它具有更高的安全性和顯著的能量密度。然而，固態(tài)電解質(zhì)固有的疏鋰特性會(huì)在固態(tài)電解質(zhì)與鋰金屬之間的界面上產(chǎn)生不可避免的空位和空洞，從而導(dǎo)致明顯的局部電流累積和枝晶的形成。

圖1.?自建超潤(rùn)濕界面實(shí)現(xiàn)均勻鋰沉積的策略

武漢大學(xué)付磊、曾夢(mèng)琪等提出了一種基于液態(tài)金屬在固態(tài)電解質(zhì)和鋰陽(yáng)極之間構(gòu)建超潤(rùn)濕界面的策略，從而提供連續(xù)、均勻的鋰離子傳輸通道。超潤(rùn)濕界面是通過(guò)利用液態(tài)金屬（鎵 [Ga]）在高溫下的熱運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這有利于液態(tài)金屬與固態(tài)電解質(zhì)形成結(jié)合。這一過(guò)程有效地占據(jù)了固態(tài)電解質(zhì)表面的空隙。

此外，值得注意的是，液態(tài)金屬具有親鋰特性，在這種情況下會(huì)導(dǎo)致固態(tài)電解質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)橛H鋰狀態(tài)。鎵的熔點(diǎn)較低，僅為29.8℃，而且粘度較低，因此具有與鋰金屬自發(fā)形成合金的能力。這種合金現(xiàn)象有助于鋰無(wú)縫地分散到固態(tài)電解質(zhì)中。在這方面，固態(tài)電解質(zhì)與鋰金屬之間的相互作用表現(xiàn)出強(qiáng)大的親和力，從而達(dá)到超潤(rùn)濕狀態(tài)。這樣就建立了無(wú)縫的親密接觸，在原子層面上沒(méi)有空位或空洞。這促進(jìn)了Li⁺在界面上的擴(kuò)散，確保了鋰的均勻沉積。

圖2.?通過(guò)超潤(rùn)濕界面實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的鋰沉積/剝離

此外，自生成的合金界面層的離子擴(kuò)散系數(shù)較高，在隨后的鋰沉積/剝離過(guò)程中可減輕空隙膨脹。利用液態(tài)金屬引入的超潤(rùn)濕界面，界面阻抗降低到 29.2 Ω cm^-2，在環(huán)境條件下，0.1 mA cm^-2的SSB可實(shí)現(xiàn)超過(guò)7,200小時(shí)的長(zhǎng)循環(huán)壽命。

即使在1 mA cm^-2的高電流密度下，它仍能在60℃溫度下保持640小時(shí)的良好長(zhǎng)期穩(wěn)定性。當(dāng)與磷酸鐵鋰（LFP）結(jié)合使用時(shí)，組裝的全電池在0.2C下可進(jìn)行超過(guò)280次可逆循環(huán)，每圈平均容量衰減率小于0.05%。這顯示了這種方法在SSBs中實(shí)現(xiàn)高度穩(wěn)定和理想倍率性能的巨大潛力。

圖3.?全電池性能

Ultra-wettable liquid metal interface for highly durable solid-state lithium batteries. Matter 2024. DOI: 10.1016/j.matt.2024.01.010

5. 鄭州大學(xué)付永柱/唐帥JACS：弱溶劑化溶劑協(xié)同作用下的超低溫鈉金屬電池

低離子電導(dǎo)率和高去溶劑化勢(shì)壘是可充金屬電池中有機(jī)電解液面臨的主要挑戰(zhàn)，尤其是在低溫條件下。一般的策略是將強(qiáng)溶劑化溶劑和弱溶劑化溶劑結(jié)合起來(lái)，以獲得平衡的物理化學(xué)特性。然而，上述兩個(gè)難題無(wú)法同時(shí)克服。

圖1.?電解液設(shè)計(jì)策略示意

鄭州大學(xué)付永柱、唐帥等提出了一種將兩種醚基溶劑（弱溶劑化溶劑THF和2-甲基四氫呋喃 (MeTHF)）混合使用的策略，從而獲得一種具有極低去溶劑化能的電解也。同時(shí)，這兩種弱溶劑化溶劑可以降低局部有序結(jié)構(gòu)，從而提高離子導(dǎo)電性。結(jié)果，混合溶劑最終會(huì)促使生成的電解液在低溫下具有比單獨(dú)溶劑更高的離子電導(dǎo)率。因此，兩種弱溶劑化溶劑之間的協(xié)同作用打破了單個(gè)溶劑折衷的一般策略的限制，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)高離子電導(dǎo)率和低去溶劑化能。

圖2.?Na||Na對(duì)稱(chēng)電池性能

實(shí)驗(yàn)顯示，采用該電解液的鈉金屬陽(yáng)極可在-40℃下以2 mA cm^-2的電流循環(huán)1000小時(shí)，并顯示出極低的過(guò)電位。此外，基于Na₃V₂(PO₄)₃陰極的鈉金屬電池可在-40℃下循環(huán)300次，容量保持率達(dá)86%，所獲得的電化學(xué)性能優(yōu)于之前報(bào)道的大多數(shù)結(jié)果。這項(xiàng)研究為低溫堿金屬電池電解液的設(shè)計(jì)提供了一條新途徑。

圖3.?全電池性能

An Ultrastable Low-Temperature Na Metal Battery Enabled by Synergy between Weakly Solvating Solvents. Journal of the American Chemical Society 2024. DOI: 10.1021/jacs.3c11134

6. 暨南大學(xué)王子奇AM：一種可穩(wěn)定鋰金屬電池的富氟固態(tài)電解質(zhì)

構(gòu)建具有理想穩(wěn)健性和均勻性的最佳SEI是實(shí)現(xiàn)高性能鋰金屬電池的實(shí)用途徑。

圖1.?SLE設(shè)計(jì)

暨南大學(xué)王子奇、阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Tongchao Liu、Khalil Amine等提出了一種富含氟化物的類(lèi)固態(tài)電解質(zhì)（SLE），它結(jié)合了固態(tài)電解質(zhì)和液態(tài)電解質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)。其獨(dú)特的三氟酯基團(tuán)增強(qiáng)框架通道有助于形成富含無(wú)機(jī)物的固體電解質(zhì)功能相（SEI），這不僅提高了鋰陽(yáng)極的可逆性和界面電荷轉(zhuǎn)移，還確保了鋰的均勻、緊湊沉積。

此外，這些三酸酯基團(tuán)有助于Li⁺的解耦，并為L(zhǎng)i⁺的快速傳輸提供了跳躍位點(diǎn)，從而使其室溫離子電導(dǎo)率高達(dá)1.1 mS cm^-1，活化能低至0.17eV，可與傳統(tǒng)液態(tài)電解液相媲美。

圖2.?SEI分析

因此，使用這種SLE的鋰對(duì)稱(chēng)電池可在0.5 mA cm^-2的條件下實(shí)現(xiàn)超過(guò)3500小時(shí)的極其穩(wěn)定的沉積/剝離循環(huán)，并支持高達(dá)2.0 mA cm^-2的高臨界電流。組裝的準(zhǔn)固態(tài)Li||LiFePO₄電池在超過(guò)一年半的時(shí)間內(nèi)表現(xiàn)出卓越的循環(huán)能力，甚至優(yōu)于液態(tài)電池。此外，這項(xiàng)工作還展示了高電壓圓柱形電池和高容量軟包電池，證實(shí)了與所有固態(tài)電池相比，該電池的組裝工藝簡(jiǎn)單得多。這些發(fā)現(xiàn)凸顯了SLE方法在構(gòu)建理想SEI方面的潛力，為廣泛采用可充鋰金屬電池提供了實(shí)用的解決方案。

圖3.?電化學(xué)性能研究

A Fluoride-Rich Solid-Like Electrolyte Stabilizing Lithium Metal Batteries. Advanced Materials 2024. DOI: 10.1002/adma.202313135

7. 索鎏敏/毛慧燦JACS：超輕電解液實(shí)現(xiàn)超660 Wh/kg鋰硫電池

在材料層面，鋰和硫的電化學(xué)耦合物具有超高的理論能量密度（>2600 Wh/kg）。然而，令人失望的是，由于其在電池層面的可獲得能量密度較低（≤500 Wh/kg），且存儲(chǔ)性能較差，它在一次電池中并不合適。

圖1.?MTBE的設(shè)計(jì)過(guò)程

中科院物理所索鎏敏、北京科技大學(xué)毛慧燦等定制了一種基于低密度甲基叔丁基醚（MTBE）的超輕電解液（0.837 g/mL，0.4 m LiTFSI + 0.2 m LiNO₃ in DME/MTBE = 1/1 vol %），以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高能量密度和良好的儲(chǔ)能性能。研究發(fā)現(xiàn)，其保護(hù)性封裝溶劑化結(jié)構(gòu)可減輕電解液重量（23.1%），提高容量利用率（38.1%），同時(shí)防止自放電。

圖2.?UE中的封裝溶劑化結(jié)構(gòu)

此外，這項(xiàng)工作還引入了氟化石墨（CF_x）來(lái)構(gòu)建混合硫基陰極（HC），以進(jìn)一步提高能量密度。結(jié)果，為期31天的靜置實(shí)驗(yàn)證明了這種系統(tǒng)的卓越存儲(chǔ)性能。此外，該工作所演示的300 mAh級(jí)軟包電池在靜置1周后達(dá)到了令人難以置信的661 Wh/kg能量密度，自放電率幾乎可以忽略不計(jì)，這有力地證實(shí)了這項(xiàng)工作對(duì)鋰硫一次電池實(shí)用性的重要意義。

圖3.?軟包電池性能

Ultralight Electrolyte with Protective Encapsulation Solvation Structure Enables Hybrid Sulfur-Based Primary Batteries Exceeding 660 Wh/kg. Journal of the American Chemical Society 2024. DOI: 10.1021/jacs.3c10260

8. 上海交大楊軍EnSM：不燃性?xún)捎H電解液實(shí)現(xiàn)的高壓鋰金屬電池

醚基溶劑通常具有低氧化穩(wěn)定性和高易燃性，這阻礙了它們?cè)趯?shí)用高壓鋰金屬電池（LMBs）中的應(yīng)用。

圖1.?電解液設(shè)計(jì)

上海交通大學(xué)楊軍等提出了一種新型膠束電解液，其中的3-全氟己基-1,2-環(huán)氧丙烷（FEO）含有極性部分的環(huán)氧丙烷和非極性部分的長(zhǎng)鏈-CF₂-基團(tuán)，可作為高壓LMB的單一電解液溶劑。

研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)EO中的極性環(huán)氧丙烷基團(tuán)能在一定程度上溶解鋰鹽，而長(zhǎng)鏈-CF₂-基團(tuán)則使電解液具有出色的潤(rùn)濕性、阻燃性和良好的抗氧化性。由于其特殊的不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，F(xiàn)EO可以通過(guò)增加Li⁺與FSI-陰離子的結(jié)合來(lái)有效調(diào)節(jié)溶劑化結(jié)構(gòu)，從而形成富含F(xiàn)的SEI膜，促使鋰沉積均勻致密。

圖2.?鋰金屬負(fù)極的電化學(xué)性能及其相關(guān)特性

實(shí)驗(yàn)顯示，將1.5 M LiFSI/FEO電解液用于上限截止電壓為4.5 V的||NCM811全電池時(shí)，該電池在200次循環(huán)后顯示出優(yōu)異的循環(huán)性能，容量保持率為80%，平均CE為99.9%。此外，在這種情況下，NCM811顆粒的晶間應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂（SCC）和過(guò)渡金屬的溶解也受到了抑制。上述結(jié)果表明，基于FEO的電解液有望用于實(shí)用高壓LMBs。

圖3.?Li||NMC811電池性能

High-Voltage Li Metal Batteries Enabled by A Nonflammable Amphiphilic Electrolyte. Energy Storage Materials 2024. DOI: 10.1016/j.ensm.2024.103235