重磅合集：Nature子刊同时上线七篇电池的工作！六篇来自国内高校！
2022年1月10-11号，NatureCommunications连续上线七篇关于电池最新进展的文章，情况罕见，因此深水科技推出本期合集：
文章.01
2022年1月10-11号，NatureCommunications连续上线七篇关于电池最新进展的文章，情况罕见，因此深水科技推出本期合集：
超重力对非水系锂金属电池形成和循环寿命的影响
地外探索需要能够在不同于地球重力条件下运行的电化学储能装置。在这种情况下，基于锂(Li)的电池尚未得到充分研究，尤其是在超重力（即重力>9.8ms-2）下的电池形成和循环性能）条件。为了阐明这些方面，西北工业大学材料科学与工程学院谢科予教授团队研究了非水锂金属电池在超重力条件下的行为。物理化学和电化学表征表明，与地球重力条件不同，在铜基板上沉积锂金属的过程中，在超重力下获得了光滑而致密的锂金属沉积。此外，由于Li+和盐阴离子之间的强相互作用，超重力允许形成富含无机物的固体电解质界面（SEI），这促进了负极表面阴离子的显着分解。在全锂金属软包电池配置中进行测试（使用LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2基正极和基于LiFSI的电解质溶液）也证明了超重力在沉积形态和SEI组成方面的有利影响，以及在2C(400mAg-1)速率下进行200次循环的能力，容量保持率为96%。
图2：不同重力条件下金属锂的形态表征。
a）1Gc）50G镀0.5mAhcm-2之后，在Cu上沉积的Li的SEM图像，b）50Gd）1G继续镀0.5mAhcm-2。e-h）平行i-k）垂直超重力方向下电镀1mAhcm-2后，沉积在Cu上的Li的SEM图像。l）不同重力条件下电沉积形态示意图。注意右上角插入的图像用于说明相应的形态进化a-d)AFM绘制的草图e-k)3D形貌。a-k)比例尺为5μm。
图3：锂金属沉积的形态演变。
a、d)1G重力、b、e)垂直和c、f)平行超重力条件下锂金属的成核和生长示意图。注意，“E”代表外加电场，“F”代表外加超重力，颜色变化代表溶液中离子浓度的差异。
生物大分子粘结剂实现阻燃、大功率Li-S柔性电池
用于硫正极的聚合物粘结剂起着非常关键的作用，因为它们是原位固定多硫化物穿梭和体积变化的先决条件，同时确保在活性材料内具有良好的粘附性以进行离子传导以及强大的机械和化学稳定性。近日，韩国庆尚大学HyunYoungJung教授团队展示了用于硫阴极的阴离子表面电荷促进的生物聚合物粘结剂，可实现出色的性能和防火安全性改进。可水处理的黄蓍胶基粘结剂经过调整以容纳超过12mgcm-2的高硫负载在不影响硫的效用和可逆性的情况下，使锂离子对硫颗粒的可及性高约80%。内在的棒状和球状糖共形部分的多功能极性单元充当到达硫颗粒的活性通道。粘结剂对多硫化物的捕获提高了46%，即使在4C时也将体积变化限制在16%以内。此外，柔性Li-S电池的堆叠重量能量密度为243Whkg-1，表现出高反应性硫以及良好的形状保形性，这将为紧凑和灵活的大功率器件的潜在发展开辟道路。
图1：硫正极各种粘结剂的制造、结构和性能示意图。
a,b）阴极由负载到具有粘结剂的“SuperP”碳中的硫组成。一个黄蓍胶（TG）。b)聚偏二氟乙烯(PVDF)和聚环氧乙烷(PEO)。c–e）使用TG作为粘结剂制造的硫正极的电化学性能，S/TG电极对PVDF、S/PVDF和PEO、S/PEO用于Li-S电池。c）在1.7和2.8V(Li+/Li)之间以1mVs–1的扫描速率记录的循环伏安图。d）在1C(1C=1675mAg–1)的电流速率下测量的恒电流放电-充电曲线。e）使用各种粘结剂的新鲜Li-S电池的奈奎斯特图。
通过受限溶解策略实现全固态可充电Li-I2电池的长循环寿命
可充电Li-I2电池由于其理论容量高、成本低、环境友好等优点而备受关注。需要溶解多碘化物以促进I2阴极的电化学氧化还原反应，这将导致有害的穿梭效应。全固态Li-I2电池完全避免了多碘化物在液体系统中的穿梭。然而，传统固体界面处的不溶性放电产物导致电化学反应缓慢且可充电性差。在这项工作中，南京大学PingHe教授团队联合周豪慎教授团队通过采用由分散层和阻挡层组成的精心设计的混合电解质，成功地促进了一种新的聚碘化物化学，并将聚碘化物的溶解定位在靠近阴极的有限空间内。由于这种有限的溶解策略，一种可充电且高度可逆的全固态Li-I2电池得到了展示，并在1C下具有超过9000次循环的长期寿命，容量保持率为84.1%。
图1：a）初级全固态Li-I2电池b）本工作中的可充电全固态Li-I2中阴极/电解质界面的反应机理示意图。在初级全固态Li-I2中，I2和I-之间的固相转化过程动力学缓慢，导致电池的可充电性差。文章中提出的可充电全固态Li-I2中，通过受限溶解策略实现了具有快速动力学和高可逆性的两步聚碘化物化学。多碘化物可以很好地溶解在分散层中，但阻挡层避免了它们的穿梭。在放电过程中，I5-首先被放电到I3-然后到I-。充电过程遵循从I-到I3-的转化反应，最后是I5-。
用于低品位热转换和储能的锌离子热充电电池
将来自环境的低品位热能转化为电能，对于缓解能源危机和调整能源配置具有极大的可持续性。然而，当采用半导体时，可热再充电装置通常会遭受较差的转换效率。南京航空航天大学张校刚教授团队提出并展示了一种新的锌离子热充电电池，通过插入式阴极(VO2-PC)的热提取/插入和热扩散过程以及剥离/锌阳极的电镀行为，打破热电系统的传统。基于这种策略，~12.5mVK-1的高热电势令人印象深刻并且可以获得1.2mW的出色输出功率。此外，在45K的温差下实现了0.95%（卡诺效率的7.25%）的高热电流转换效率。这项展示了非凡的能量转换效率和充足的能量存储的工作将为铺平道路致力于建造具有吸引力的热电装置，以实现低品位热量的高附加值利用。
图1：锌基可热充电系统的概念和工作机制。
a)基于PC的热扩散效应、b)基于VO的热萃取效应和c)基于VO-PC的协同效应。
图2：ZTCC(锌基热充电电池)的构建和性能。
a)非等温电池示意图。b)电流为40μA的电化学电荷曲线。c)输出电压随不同温度梯度的变化。d)不同温差下的输出电压。e)电压差与温度差。f)能量转换过程中VO2的相应结构变化。g)负载为17kΩ的放电曲线。h)不同输出电压下的电流密度和功率密度图。i)输出功率和电压的比较。
在均匀纳米多孔隔膜中通过Li+去溶剂化抑制电解质-锂金属的反应性
锂与电解质的反应导致其持续消耗和枝晶生长，这构成了以可逆方式利用锂金属负极的巨大能量的主要障碍。相当多的注意力集中在通过界面和电解质工程抑制枝晶，同时承认电解质-锂金属反应性是热力学必然性。清华大学何向明教授团队报告了通过纳米多孔隔膜有效抑制这种反应性。多样化表征辅助的计算表明，隔膜在其均匀的纳米孔产生的限制条件下部分使Li+去溶剂化，并在Li0之前使溶剂失活以进行电化学还原-发生沉积。这种失活的结果是实现了无枝晶的锂金属电极，即使在以LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2作为锂对称电池和高压锂金属电池的长期循环后仍保持其金属光泽阴极。纳米结构隔膜改变电解质的体积和界面行为的发现为我们指明了利用锂金属作为最有前途的阳极的新方向。
图1：光刻胶隔膜的光聚合及其微观表征
a,b)Zr-MOC的合成和晶体结构。（颜色代码：灰球，C；红球，O；白球，H；绿球，Zr）。c)通过光聚合制备Zr-MOCN@PP膜。d、e)PP隔板的俯视图和横截面的SEM图像；f,g)Zr-MOCN@PP。插图是膜的照片。AFM图像：h,i)PP分离器；j,k)Zr-MOCN@PP。
将水系锌电池和钙钛矿太阳能电池耦合，以同时进行能量收集、转换和存储
在单个设备中同时收集、转换和存储太阳能代表了下一代电源的理想技术方法。在此，南开大学高学平教授团队提出了一种装置，该装置由能够收集太阳能（并将其转化为电能）的集成碳基钙钛矿太阳能电池模块和可充电的水系锌金属电池组成。电化学储能电池采用异质结构Co2P-CoP-NiCoO2纳米阵列和锌金属分别作为阴极和阳极，在32A/g下循环25000次后，容量保持率约为78%。特别是太阳能电池的电池阴极和钙钛矿材料结合在一个夹层接头电极单元中。因此，该设备在32A/g和2A/g下分别提供54kW/kg的比功率和366Wh/kg的比能量。此外，得益于其较窄的电压范围（1.40-1.90V），该器件的效率约为6%，可在200次光充放电循环中保持稳定。
图1：集成太阳能可充电锌电池的示意图。
该装置由钙钛矿太阳能电池部分和可充电水系锌金属电池组成，它们通过夹层接头电极结合在一起。
图2：P-NiCo2O4Nas正极材料的制备和表征。
a)P-NiCo2O4NA磷化工艺示意图。b)具有不NiCo2O4:NaH2PO2·H2O(NCO:P)比率的样品的X射线衍射(XRD)图谱。c)正极上P-NiCo2O4NAs的扫描电子显微镜(SEM)图像。d)Co2P-CoP-NiCoO2的透射电子显微镜(TEM)和能量色散光谱(EDS)图。e，f)多维异质结构Co2P-CoP-NiCoO2NAs的高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)图像。
嵌入多层石墨烯上的单分散多金属氧酸盐簇作为高效锂硫电池的双功能电催化剂
Li-S电池正极中发生的氧化还原反应隐藏了各种关键的电催化过程，这些过程强烈影响了这种电化学储能系统的性能。厦门大学陈嘉嘉、董全峰课题组报告了由多金属氧酸盐骨架和多层还原氧化石墨烯。由于界面电荷转移和不饱和钴位点的暴露，该复合材料表现出高效的多硫化物吸附和低多硫化物转化的活化能，因此可用作双功能电催化剂。当在完整的Li-S纽扣电池配置中进行测试时，该复合材料实现了长寿命的锂硫电池。