8篇电池顶刊：鲁兵安、余彦、陈人杰、郭向欣、郑奇峰、宋英泽、徐群杰、王旭珍等成果！
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1. 周江/史晓东/鲁兵安AEM：凹面碳球的可控设计及储钾/钠性能探究！
凹面碳球（CCS）由于其独特的物理化学特性而引起了人们的极大兴趣。然而，精确的合成方法仍然很少，因为控制中间前体的动态和非选择性的变形过程是一个巨大的挑战。
中南大学周江、史晓东、湖南大学鲁兵安等实现了对凹面结构的精确形态调控，以准确解释碳材料的微观结构和电化学性能之间的关系。
图1 CCS样品的制备及形貌
在有限元模拟的基础上，作者提出了聚合弯曲理论，分析了CCS材料的形态演变机制。特别是选择了C30样品（具有较大的层间间距和较低的石墨化程度）作为研究对象，并对其储钾和储钠性能进行了进一步研究。有限元模拟结果表明，CCS材料的应力积累是各向异性的，有利于形成均匀的应力分布，从而缓解了应力集中效应，进而避免了循环过程中的结构变形甚至结构失效。
图2 应力分布的化学力学模拟结果
受益于结构上的优势，C30负极在4A g-1的条件下循环1350次后，储钾容量仍保持在104.9 mAh g-1，对应于每循环2.7%的极低容量衰减率。对于钠离子电池，在2 A g-1的条件下，经过2700次循环后可以实现116.4 mAh g-1的可逆容量。这项工作可能为凹陷中空碳材料的设计开辟了一条新的途径，并促进其在储能领域的实际应用。
图3 钾/钠储存性能
Concave Engineering of Hollow Carbon Spheres toward Advanced Anode Material for Sodium/Potassium-Ion Batteries. Advanced Energy Materials 2022. DOI: 10.1002/aenm.202202851
2. 何传新/余彦AFM：多孔骨架协同硒化界面实现稳定钠/钾负极！
钠金属已被认为是实现下一代电池系统高能量密度和低成本最有希望的负极。然而，不受控制的枝晶生长、无限的体积膨胀和不稳定的固体/电解质界面相严重阻碍了钠金属负极的实际应用。
深圳大学何传新、中科大余彦等通过将熔融的Na注入由硒化铜纳米片修饰的多孔铜框架中，获得了功能性复合Na负极（Na2Se/Cu@Na）。
图1 Na2Se/Cu@Na复合负极的合成过程示意图
Na2Se/Cu@Na具有以下优势：i）Cu2Se纳米片可以赋予Cu骨架亲钠性（亲钾性），并通过虹吸效应促进Na（K）的渗透；ii）包括Na2Se/Cu（K2Se/Cu）纳米片的反应产物可以促进Na（K）离子迁移，并通过离子/电子传导框架诱导Na（K）成核；iii）与传统的金属氧化物和金属硫化物相比，硒金属表现出更高的电导率，由于电极反应动力学更快，有利于重新分配离子浓度。
图2 半电池性能
因此，获得的复合Na负极（Na2Se/Cu@Na）在电流密度为1 mA cm-2、固定容量为1 mAh cm-2时在碳酸酯电解液中表现出超过500小时的稳定剥离/沉积循环寿命。当这种复合负极与Na3V2(PO4)3(NVP)正极耦合时，Na2Se/Cu@Na‖NVP的全电池在10 C(1 C=100 mA g-1)下循环800次后仍能保持97 mAh g-1的高容量。此外，超薄的复合Na负极和相应的软包电池可以实现实际应用。至于复合K负极（K2Se/Cu@K），在电流密度为0.5 mA cm-2、固定容量为0.5 mAh cm-2时，对称电池的循环寿命可以保持在1000小时以上。这项研究为设计结构化的Na（K）金属负极铺平了一条重要的道路，以协同改善电极的稳定性。
图3 全电池性能
Homogeneous Metallic Deposition Regulated by Porous Framework and Selenization Interphase Toward Stable Sodium/Potassium Anodes. Advanced Functional Materials 2022. DOI: 10.1002/adfm.202210166
3. 宋英泽/张炜/蔡文龙Adv. Sci.：405.1 Wh/kg高比能软包锂硫电池！
锂硫(Li-S)电池能否真正应用，与揭开多硫化锂(LiPSs)的演化反应直接相关。按照这一思路，设计具有同步缓解LiPSs穿梭和促进硫转化功能的促进剂至关重要。
西南科技大学宋英泽、中科院重庆绿色智能技术研究院张炜、四川大学蔡文龙等提出了一个一体化的"氮平衡"策略，即通过调节局部氮演化行为来构建一个高活性的Ni-N-C系统，以实现高能Li-S软包电池。
图1 用于最大化Ni-N-C体系电催化活性的一体化“氮平衡”示意
局部氮平衡导致了镍配位构型、镍原子负载、氮空位缺陷、活性氮和电子传导性的同时优化，从而形成了明显不同于传统镍单原子催化剂（SAC）的活性Ni-N-C系统。受益于最大化的电催化活性，Ni-N-C系统在放电和充电过程中分别有效地引发了Li2S的成核和分解反应。
图2 用于硫转化反应的Ni-N-C电催化剂的电催化活性分析
因此，即使在高硫负载和90°折角的条件下，Li-S软包电池也能获得良好的放电容量和循环稳定性。令人印象深刻的是，一个0.5Ah级的Li-S软包电池也成功实现了405.1 Wh kg-1的显著能量密度。总体而言，这项工作为实用的锂硫电池提供了一种有效的电催化剂活性提升策略，从而缓解了电池的实际能量与未来电力需求之间的差距。
图3 软包Li-S电池性能
Nitrogen Balance on Ni–N–C Promotor for High-Energy Lithium-Sulfur Pouch Cells. Advanced Science 2022. DOI: 10.1002/advs.202204027
4. 徐群杰/闵宇霖AFM：新型复合固态电解质助力全固态锂电2000次循环！
采用聚合物固态电解质复合填料的传统策略受到有机-无机界面连续性的极大限制。
上海电力大学徐群杰、闵宇霖等报告了一种具有多个有机-无机界面的新型复合固态电解质设计。
图1 PEO/LiTFSI/3DMoO3电解质的形貌表征
具体而言，该复合膜是由聚氧化乙烯（PEO）基电解质膜和三氧化二钼（MoO3）无机膜交替叠加得到的，然后将多层膜卷成圆柱体，进一步通过将圆柱体切成盘状，得到具有多个连续有机-无机界面的复合电解质。研究显示，在整个聚合物复合电解质（PCE）中，形成了垂直于电极方向的介观尺度的多个界面。与通过简单混合方法制备的PEO/LiTFSI/MoO3(PLM)相比，定向界面的存在大大增加了电解质的离子导电性、离子迁移率和高压电阻。在取向的有机-无机界面上，Li+浓度增强，PEO的结晶度降低，导致了更高的离子电导率，以及复合电解质中的短离子传导路径。
图2 复合固态电解质的电化学性能
结果，新型PCE（PL3DM）的离子传导率在60℃时高达1.16×10-3 S cm-1。这种优秀的离子传输能力使采用该电解质组装的"界面电池"获得了令人满意的循环性能。Li|PL3DM|LiFePO4在2 C下稳定地循环了>2000次。此外，全固态锂电可以快速充放电，并在10 C的高倍率下运行。PL3DM的优异性能证明了利用不同的相界面人工形成定向和连续的离子通道以提高固态电解质的离子传导能力的可行性。
图2 全电池的循环性能
Directed and Continuous Interfacial Channels for Optimized Ion Transport in Solid-State Electrolytes. Advanced Functional Materials 2022. DOI: 10.1002/adfm.202206976
5. 陈人杰/吴孔林等AFM：二元金属协同催化实现高倍率/面容量锂硫电池！
具有高理论能量密度的锂硫（Li-S）电池长期以来被认为是锂离子电池的替代储能装置。然而，多硫化物的穿梭效应会引发快速的容量衰减和短暂的电池寿命，这严重阻碍了其实际利用。
北京理工大学陈人杰、复旦大学Jie Xu、安徽工业大学吴孔林等构建了一种高效的电催化剂，包括植入分级多孔碳骨架（Fe/Co-N-HPC）中的氮（N）配位二元金属单原子（SAs），并通过隔膜涂层策略捕获并催化多硫化物转化。
图1 Fe/Co-N-HPC的合成、形态和组成
研究表明，Co原子的引入可以丰富Fe活性中心的电子数，从而实现二元金属单原子催化剂的显著协同催化作用，提高Li-S氧化还原反应的双向催化作用。受益于二元金属SAs在促进多硫化物转化过程中的高导电网络和协同催化活性，采用Fe/Co-N-HPC改性隔膜的Li-S电池在低硫和高硫负下的电化学性能都得到了极大的提高。
图2 采用不同隔膜的Li-S电池的性能
结果，所制备的Li-S电池表现出出色的倍率能力（5.0 C时为740 mAh g-1），以及卓越的长期循环稳定性（1.0 C时循环600次后为694 mAh g-1）。将硫负载增加到4.8 mg cm-2时，实现了6.13 mAh cm-2的显著面容量。此外，原位X射线衍射和理论模拟结果验证了二元金属SAs通过改变速率决定步骤的催化机制，这为构建高性能Li-S电池提供了新方向。
图3 高负载Li-S电池性能
Binary Metal Single Atom Electrocatalysts with Synergistic Catalytic Activity toward High-Rate and High Areal-Capacity Lithium–Sulfur Batteries. Advanced Functional Materials 2022. DOI: 10.1002/adfm.202208666
6. 青岛大学郭向欣AFM：熔盐转换获得亲锂和空气稳定的石榴石固态电解质
石榴石型电解质由于其高离子传导性和宽广的电化学窗口，在固态锂电池的应用中显示出巨大的潜力。然而，由于空气暴露而形成的表面Li2CO3引发了与锂金属的不均匀接触，导致了不良的枝晶生长和性能恶化。
青岛大学郭向欣等通过表面Li2CO3和熔融NH4H2PO4盐之间的无副作用转换反应，在石榴石型Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12（LLZTO）表面原地生成亲锂Li3PO4(LPO)层。
图1 熔盐处理的亲锂和空气稳定的石榴石表面的设计
这样形成的LPO表面层通过阻挡空气中H2O/CO2的侵蚀，阻止了LLZTO表面的碳酸盐污染物再生超过20天。密度函数理论（DFT）计算进一步显示，LPO /Li的粘附功（Wad）比Li2CO3/Li高得多，这表明界面结合和稳定性大大改善。此外，LPO层可以通过与熔融的锂金属反应，部分转化为离子导电但电子绝缘的Li3P和Li2O的界面层。与Li2CO3的疏水性不同，这种类似于磷酸锂氧化物（LiPON）的固体电解质界面相（SEI）增强了界面兼容性，导致Li/LLZTO的无缝接触，从而使界面电阻大幅下降至13 Ω cm2。
图2 界面研究
此外，这种离子增强和电子绝缘的SEI使Li+通量平稳，促进了Li在Li/LLZTO界面上的均匀沉积/剥离，从而提高了锂对称电池在高临界电流密度下的循环稳定性（30℃时为1.2 mA cm-2）。另外，基于改性LLZTO电解质的固态钴酸锂电池表现出显著的电化学性能，在0.1C时放电容量为130 mAh g-1，在30℃时稳定循环超过150次，容量保持率超过81%。因此，所提出的熔盐处理方法对于实现空气稳定和界面兼容的石榴石电解质是有希望的。
图3 LCO/Li全电池的性能
Molten Salt Driven Conversion Reaction Enabling Lithiophilic and Air-Stable Garnet Surface for Solid-State Lithium Batteries. Advanced Functional Materials 2022. DOI: 10.1002/adfm.202208751
7. 郑奇峰等AFM：一石三鸟添加剂助力锌金属负极4000小时稳定循环！
水系锌金属电池由于其高容量、高安全性和低成本而成为最有前景的大规模储能系统。然而，锌金属负极在水系电解液中存在着连续的寄生反应、随机枝晶生长和迟缓的动力学。
华南师范大学郑奇峰、陈鹭义等引入高供体数溶剂四甲基脲（TMU）作为电解液添加剂，以实现高度可逆的锌金属负极。
图1 不同电解液中的锌沉积行为示意图
综合实验和理论结果表明，TMU不仅能优先吸附在Zn表面，抑制Zn腐蚀和寄生反应，还能与Zn2+溶剂化，将H2O排除在Zn2+溶剂化鞘之外，从而大大削弱了水的活性。更重要的是，这种独特的Zn2+溶剂化鞘促进了无机-有机双层SEI的形成，其内部是富含ZnF2/硫化物的层（高界面能），外部是富含酰胺的层（强亲锌性），使Zn沉积均匀，有效提高Zn2+运输动力学。
图2 锌沉积/剥离的稳定性
基于TMU添加剂的上述优点，所得到的Zn(OTF)2+TMU水系电解液不仅使Zn||Ti不对称电池（持续超过1200次（CE>99. 5%））和Zn||Zn对称电池（超过4000小时）实现了高度可逆的锌沉积/剥离，而且还能使各种最先进的正极稳定运行，包括五氧化二钒（V2O5）、聚苯胺（PANI）和六氰化铁（Na2MnFe(CN)6）。总体而言，这项工作从根本上了解了高供体添加剂在稳定锌金属负极方面的作用，为开发新兴的锌金属水系电池开辟了一条新的途径。
图3 Zn||V2O5全电池性能
Three Birds with One Stone: Tetramethylurea as Electrolyte Additive for Highly Reversible Zn-Metal Anode. Advanced Functional Materials 2022. DOI: 10.1002/adfm.202209642
8. 王旭珍ACS Nano：基于双功能宿主的高性能锂硫全电池！
多硫化锂（LiPSs）在硫正极的穿梭和缓慢的化学反应以及金属负极中枝晶锂的形成，严重阻碍了锂硫电池的普及。
大连理工大学王旭珍等报告了一种亲硫和亲锂CoSe纳米粒子修饰的B,N共掺杂碳纳米管（BNCNTs）阵列（CoSe@BNCNTs/CC），它生长在碳布上，可同时作为硫和锂的宿主。
图1 材料制备及表征
密度泛函理论（DFT）计算、模拟和电化学性能测试表明，CoSe@BNCNTs/CC可以同时发挥催化作用，加速LiPSs的转化，并实现平滑、均匀的锂沉积，以调节S和Li的电化学。此外，BNCNTs阵列的独特结构为硫提供了足够的存储空间，并使锂离子的分布和电极的电场均匀化。
图2 CoSe@BNCNTs/CC-Li负极的性能
因此，基于CoSe@BNCNTs/CC双功能宿主的Li-S全电池表现出长期的循环稳定性（在0.5C的800次循环中每循环的衰减率为0.066%）和高的倍率容量（在2C下为684 mAh g-1）。即使在7.9 mg cm-2的高硫负载下，Li-S全电池在0.2 C时也有9.76 mAh cm-2的高面容量。总体而言，该研究提出了一个可行的策略，以解决实用Li-S全电池的S和Li电极的挑战。
图3 Li-S全电池性能
CoSe Nanoparticle Embedded B,N-Codoped Carbon Nanotube Array as a Dual-Functional Host for a High-Performance Li-S Full Battery. ACS Nano 2022. DOI: 10.1021/acsnano.2c07137
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