其他
能源周报：Nature、Nat. Energy、Nat. Nanotechnol.、Angew、AM等大合集！
高能量密度锂（Li）金属电池（LMB）的寿命很短，这是由“死”Li和Li枝晶造成的。实现空间均匀锂离子通量和快速锂离子输运而产生稳定的人工固体电解质界面（SEI）将相应地解决这些问题。本文首次采用自上而下的方法去除10nm厚的凹坑膜状纳米木材，并设计了一种天然木材结构界面作为人工SEI。人工SEI在自然组装的平行纤维素分子之间具有纳米通道，调节Li沉积的均匀性。同时，纳米木材上相互连接的微孔和丰富的亲锂基团促进了锂离子的快速迁移。受纳米木材保护的LMB具有∼140mAh·cm-2的容量，800次循环平均库仑效率高达99.6%。这种基于纳米木材的、高性能的、可扩展的、具有离子通量调节功能的仿生SEI是解决实际LMB寿命短的一个有吸引力的解决方案。
充电锂氧电池由于其能量密度高具有广阔的应用前景，但受缓慢的氧还原/演化动力学影响。开发高效催化剂，提高锂氧电池的催化活性，减轻氧化还原过电位是一个重大挑战和重要课题。本文开发了CO2辅助热反应策略，以制备高性能锂氧电池用的半金属硒单原子掺杂Ti3C2 MXene催化剂（SASe-Ti3C2）。单硒原子催化中心的分离部分可作为活性催化中心，显著提高其固有的LiO2吸收能力，从而从根本上调节过氧化锂（Li2O2）放电产物的形成/分解机理，从而显著增强了氧化还原动力学，有效地改善了过电位。理论模拟表明，硒参与部分与Ti3C2衬底的相互作用，极大地提高了LiO2的内在吸收能力，从根本上促进了电极与Li2O2产物之间的电荷转移，从而进一步改善了往返过电位。设计良好的SASe- Ti3C2电极作为锂氧电池的阴极显示出电荷/放电极化（1.10V vs Li/Li+），超高放电容量(100 mA g−1时为17260 mAh g-1),以及卓越的耐久性（200 mA g-1时循环170次）。研究结果对今后研究的高性能含氧体系催化剂的设计具有一定的指导意义。
传统的自充电系统通常比较复杂，并且高度依赖于能源的可用性。本文开发了一种基于二氧化钒（VO2）阴极和聚丙烯酰胺-甲壳素纳米纤维（PAM-ChNF）水凝胶电解质的化学自充电柔性固态锌离子电池（ssZIB）。功率密度为139.0 W kg‐1时，ssZIBs可提供231.9 Wh kg‐1的高能量密度。ssZIBs优异的电化学性能归功于VO2阴极坚固的隧道结构和PAM-ChNF电解质的纠缠网络，为离子扩散提供了有效的途径。令人印象深刻的是，所设计的ssZIBs可以在环境条件下通过阴极和氧气之间的氧化还原反应进行化学自充电。在空气中氧化6小时后，ssZIBs在0.2 A g-1下表现出263.9 mAh g-1的高放电容量，显示出良好的自充电能力。在水凝胶电解质中加入少量醋酸，恒电流放电和化学自充电循环可达到20次。更重要的是，这种ssZIB能够在化学或/和恒电流充电混合模式下运行良好，显示出优异的可重用性。这项工作为设计用于便携式自供电系统的柔性化学自充电ssZIB带来了新的前景。
双离子电池（DIBs）具有工作电压高、成本低、环境友好等优点，但传统的电解质通常不能同时满足宽电压范围和高浓度的要求，导致循环耐久性差和能量密度有限。本研究以四亚甲基砜为溶剂，制备了一种4.0M双氟磺酰亚胺锂（LiFSI）电解质体系，该体系具有以下优点：i）FSI-在石墨阴极可逆地插入/脱嵌的高氧化电位≈6.0 V，ii）在高工作电压下显著抑制气体形成，以及iii）显著提高DIB全电池能量密度。用这种电解液构建的DIB能显示113.3 mAh g−1容量和在200 mA g−1展现≈4.6 V介质放电电压， 1000次循环后容量保持率为94.7%。此外，这种DIB提供的能量密度为≈180 Wh kg−1（包括有助于容量和电极材料的电解液），是DIBs相关工作中性能最好的之一。
在实际生产中，为了提高电池的能量密度，需要用较薄的锂制作锂金属电池。锂金属粉末（LMPs）有利于实现薄锂的简易制备、电池的柔性化设计和镀/剥锂的三维控制。然而，商用LMPs的非均匀表面限制了其在LMBs中的实际应用。这里是介绍了一种为稳定LMP表面而合理设计的20µm厚LiNO3预涂LMP（LN-LMP）复合电极。向浆料中添加LiNO3可通过富N固体电解质界面（SEI）均匀地修饰LMP表面。预先准备好的LiNO3进一步作为一个蓄水池，可持续地释放到电解液中，从而在循环时修复SEI。与对照电池相比，含有LN-LMP的LMBs具有优异的循环性能（在87.3%保留率下进行450次循环），甚至优于含有LiNO3电解质的电池。通过对LiNixMnyCo1–x–yO2（NMC）阴极的高负载进一步验证，证明了实际电池的可行性以及薄的LN-LMP阳极与先进电解质结合的多功能性。
锂氧电池充放电过程中产生的强氧化剂中间体和副产物是导致其电化学性能下降的主要原因。寻找直接生成/分解Li2O2的高效催化剂是LOBs发展的关键。在这项研究中，具有均匀MoSe2涂层的MoSe2@CNT核-壳纳米结构被有目的的合成，通过简单的水热策略以解决负的中间产物和副产品问题，从而提高电池性能。连续多壁MoSe2层不仅可以作为晶粒促进剂，在高速率下诱导Li2O2等轴晶在阴极表面的初始形核和长大，而且可以防止碳与电解液间腐蚀副产物的形成。此外，密度泛函理论（DFT）的计算揭示了依赖于2D MoSe2直接生成/分解催化能力的本征层和放电/充电过程中LiO2可避免的反应途径，从理论上揭示了Li2O2的直接外延生长机制。因此MoSe2@CNT 阴极展现出超过32000 mAh g−1的优越比容量、优异的倍率性能和在500 mAg-1的高速率下具有280次循环的超长寿命。
Li[Ni0.855Co0.13Al0.015]O2（NCA85）的Nb掺杂改变了其一次粒子的形貌，使其微观结构得以精确裁剪。Nb掺杂剂（1 mol%）拉长一次粒子并使其在径向上对齐，从而形成有效地消除由H2↔H3电荷端附近的相变引起的内部突然应变。内应变的消除大大提高了Nb掺杂NCA85阴极实现的长期循环稳定性；在1000次循环后，它保留了90%的初始容量，而未掺杂的阴极保留了57.3%。此外，机械化学稳定性增强的Nb掺杂NCA85阴极实现了快速充电；掺杂Nb的NCA85阴极即使在3 C下充电也能稳定循环500次（20分钟内完全充电）。掺杂Nb的阴极在老化和热负荷下也表现出增强的化学和结构稳定性。本文提出的在NCA85锂化过程中引入Nb离子的简单策略是一种有效的解决方案，在保证电池寿命、快速充电和安全性的同时，又不影响下一代电动汽车的电池容量。