8篇电池顶刊：郑洪河、罗巍、明军、尹鸽平、贺艳兵、王峰、马延文、刘宇等成果！

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电池成果顶刊集锦

1. 北化王峰/牛津Adv. Sci.：高性能锂金属电池，10C循环1600圈！
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锂金属是最有前景的高能二次电池的负极之一。然而，在锂的沉积/剥离过程中，巨大的体积变化和严重的枝晶形成阻碍了锂金属负极（LMAs）的实际应用。
北京化工大学王峰、牛津等开发了一种硫酸盐辅助策略，合成了一种由嵌有MoS2纳米片的N,S掺杂多孔碳纳米球（MoS2@NSPCB）组成的自支撑主体，以用于LMAs。
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图1 MoS2@NSPCB的制备和形貌表征
MoS2@NSPCB宿主具有丰富的金属/非金属亲锂位点，有利于锂的均匀成核。此外，分层的多孔性和N,S掺杂的碳支持使亲锂位点具有良好的结构稳定性和高表面化学活性。另一方面，三维导电纳米带网络确保了锂离子的快速扩散，防止了LMA在沉积/剥离过程中形成树枝状物。
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图2 电化学性能
因此，采用MoS2@NSPCB宿主的锂离子对称电池在3 mA cm-2/3 mAh cm-2的条件下稳定地运行了1500小时，并具有超低的电压滞后（≈24.2 mV）。当与磷酸铁锂正极配对时，无集流体的LMA使全电池实现了460 Wh kg-1的高能量密度和良好的循环性能（即使在10C进行1600次循环后，容量保持率也保持了≈70%）。
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图3 沉积剥离过程中的形貌观察
N,S-Doped Porous Carbon Nanobelts Embedded with MoS2 Nanosheets as a Self-Standing Host for Dendrite-Free Li Metal Anodes. Advanced Science 2022. DOI: 10.1002/advs.202204232
 
2. 郑洪河/罗巍ACS Energy Lett.：电解液设计助力-20℃低温硅基电池
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硅（Si）基电池只能在狭窄的温度范围内工作，由于电荷转移和离子扩散过程迟缓，它们在零度以下的工作受到严重阻碍。
苏州大学郑洪河、同济大学罗巍等在此定制了一种弱溶剂化电解液，它通过降低Li+溶剂化能力的氟化结构绕过了Li+的脱溶剂化困难。
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图1 不同电解液的溶剂化结构的示意图
具体而言，这项工作采用的电解液是1.0 M双氟磺酰亚胺锂（LiFSI）-FEC/双（2,2,2-三氟乙基）碳酸酯（BTFC）/三氟乙酸乙酯（ETFA）（体积比为2:2:6）。在这种设计中，FEC/BTFC混合物体现了传统配方中EC/碳酸二乙酯（DEC）溶剂的氟化形式，旨在降低电解液的溶剂化能力，并为SEI/CEI的形成提供F源，而ETFA是源于乙酸乙酯(EA)的低分子短链酯，具有低粘度、低凝固点(-78 ℃)、低成本，最重要的是，具有三个H原子取代的超低溶剂化能力F，使其成为进一步削弱Li+-溶剂亲和力的理想稀释剂。这样的溶剂设计还能使阴离子更多地参与到溶剂化鞘中，从而诱导FSI-先还原形成富含无机物的SEI。
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图2 电解液的溶剂化结构表征
受益于上述电解液的合理设计，硅的可循环性在室温条件下延长了200次（每循环的容量衰减率为0.0945%）。另外，即使在-20℃，硅电极仍然提供高达2005.7 mAh g-1的放电容量，并持续200次循环。当与商业化的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极配对后，全电池在-20℃下充/放电时的容量为104.6 mAh g-1，并在100次循环中表现出相当稳定的性能。
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图3 Si电极的低温性能
Electrolyte Solvation Engineering toward High-Rate and Low-Temperature Silicon-Based Batteries. ACS Energy Letters 2022. DOI: 10.1021/acsenergylett.2c01840
 
3. 尹鸽平等ACS Energy Lett.：基于多级缓冲自修复粘结剂的高性能硅负极
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开发”理想的”粘结剂以实现超高面积容量的稳定硅（Si）负极仍然是一个重大挑战。
哈尔滨工业大学尹鸽平、Tiansheng Mu等设计了一种具有多级缓冲结构的自修复粘结剂，以减轻硅的极端体积变形所造成的结构破坏和性能下降。
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图1 PAA-DA/PVA粘结剂的设计示意
在这种多级结构中，采用动态超分子相互作用和刚性共价键共存的策略，多巴胺接枝的聚丙烯酸（PAA-DA）拥有丰富的氢键和强大的粘弹性，这有利于整个网络的动态重建。此外，在热聚合条件下，聚乙二醇（PVA）上的羟基与PAA-DA中的羧基形成强大的共价键网络，以确保电极结构的完整性。这种PAA-DA/PVA粘结剂的设计有以下两个优点：（1）原位构建的共价段具有较高的机械模量，这提高了整个电极的抗变形能力；（2）动态可逆的柔性非共价键的解离和重建实现了电极内部膨胀/收缩应力的消散。
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图2 Si@PAA-DA/PVA的力学性能表征
结果，复合电极（Si@PAA-DA/PVA）在0.2 A g-1的条件下，经过100个循环后，表现出73%的容量保持率。即使在4 A g-1的情况下，所获得的硅电极在500次循环后仍然表现出令人满意的1974.1 mAh g-1的容量。因此，作者认为这种”多级缓冲”策略的组合展示了对硅和其他具有较大体积波动的电极材料的新设计灵感。
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图3 Si@PAA-DA/PVA的电化学性能
A Multilevel Buffered Binder Network for High-Performance Silicon Anodes. ACS Energy Letters 2022. DOI: 10.1021/acsenergylett.2c02030
 
4. 马延文/赵进ACS Energy Lett.：纹理化处理赋予水系锌金属负极高可逆性
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水系锌金属负极的结晶学调控可以有效抑制其枝晶的生长和不利的副反应。然而，仍然缺乏直接赋予商业锌箔特定纹理的能力。
南京邮电大学马延文、赵进、沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学Husam N. Alshareef等开发了一种晶粒尺寸辅助的冷轧方法，可将商业锌箔重塑并统一为强（002）纹理的锌。
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图1 平面滑移和晶粒旋转引起的Zn箔的晶面和形态演变示意图
研究表明，在塑性变形过程中，晶粒大小对（002）纹理的形成有很大影响。通过适当的退火处理，商业锌箔的晶粒尺寸可被控制在∼30 μm，这有利于在接下来的冷轧过程中形成强（002）纹理。结果，由此产生的（002）纹理的锌箔在用作水系金属负极时显示出更好的抗副作用和枝晶生长的能力。
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图2 不同变形程度下退火Zn-2的晶粒尺寸和纹理特征分析
因此，与（101）纹理的锌相比，（002）纹理的锌显示出高度延长的可逆性。在0.1 mA cm-2/0.1 mAh cm-2的低电流密度下，基于（002）纹理锌电极的Zn//Zn对称电池表现出超过2800小时的寿命，并在10 mA cm-2/10 mAh cm-2的高电流密度下表现出100小时。增强的可逆性确保了锌/多孔碳电容器在6000次以上的循环中表现出长期的循环稳定性，并具有可忽略的容量衰减和100%的高CE。总体而言，这项工作的研究结果对于大规模生产高可逆的锌金属负极和开发高性能的锌基水系储能系统具有巨大的潜力。
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图3 对称电池的电化学性能
Texture Control of Commercial Zn Foils Prolongs Their Reversibility as Aqueous Battery Anodes. ACS Energy Letters 2022. DOI: 10.1021/acsenergylett.2c01920
 
5. 明军/张俊丽ACS Energy Lett.：解读溶剂相互作用对稳定电解液/电极的关键作用
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电解液在决定电池性能方面起着至关重要的作用，而溶剂分子相互作用对电极性能的影响还没有被完全理解。
中科院长春应化所明军、兰州大学张俊丽、汉阳大学Yang-Kook Sun等提出了一种未被发现的偶极-偶极相互作用，以显示溶剂相互作用对稳定电解液以实现高电极性能的作用机制。
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图1 设计主题和电化学性能
具体而言，这项工作设计了一种由1.2M双氟磺酰亚胺锂（LiFSI）和磷酸三乙酯/1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚（TEP/HFE，摩尔比为1：3）组成的新型不可燃电解液，以稳定合金负极（例如Sb），并实现了前所未有的高性能。值得注意的是，作者发现HFE和TEP之间通过电负的氟（δ–F）和电正的氢（δ+H）之间的感应效应存在溶剂-溶剂偶极-偶极相互作用，这可以有效地调节Li+的溶剂化结构和电极表面的界面模型，然后调整Li+-溶剂-阴离子复合物的动力学和电化学稳定性，从而实现与合金化负极的相容性。这一观点与之前在电极上形成的富含无机物的SEI解释不同。
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图2 电解液的特性和不同电解液中Sb负极的电化学性能
研究显示，受益于上述设计的电解液，实现了656 mAh g-1的高储锂能力和超过4 A g-1的强大倍率能力，以及超过100次循环的长寿命，这些都优于以前的报告。这项工作的发现为理解电解液成分之间的分子行为提供了新的见解，特别是对于局部高浓度电解液（LHCEs）中的稀释剂（HFE）效应。此外，这项工作显示了调节溶剂化结构和Li+-溶剂-阴离子复合物特性对改善电极性能的意义，为稳定合金负极和其他方面的电解液设计开辟了一条新途径。
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图3 电解液表征
Dipole–Dipole Interaction Induced Electrolyte Interfacial Model To Stabilize Antimony Anode for High-Safety Lithium-Ion Batteries. ACS Energy Letters 2022. DOI: 10.1021/acsenergylett.2c01408
 
6. 上硅所刘宇/杨程EnSM：超稳定!锌离子电池循环寿命超30000圈！
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具有高比容量的钒基正极在水系锌离子电池中引起了广泛关注。开发钒基正极的主要障碍是钒的溶解、结构退化、正极电解质界面（CEI）的不稳定性和水系电解液中的寄生反应。
中科院上海硅酸盐研究所刘宇、杨程等首次提出了一种新型的超低水活性电解液，解决了上述所有问题。
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图1 电解液的溶剂化结构表征
具体而言，这是通过引入本质上不易燃的磷酸三甲酯（TMP）作为惰性稀释剂实现的。这种独特的电解液设计与以前的高浓度水系电解液报告有着根本的不同。首先，在这种超低水活性的电解液中，大部分水分子被高浓度的ZnCl2团簇溶剂化，只剩下2.5%的溶剂化水分子可以相互协调，因此水的分解和钒的溶解被明显抑制了。其次，高浓度的ZnCl2-H2O团簇惰性地被稀释剂TMP所包围，也使得CEI成分在水中的溶解度降低，这有利于形成稳定的CEI。通过这种设计，在V6O13正极表面形成了高度坚固稳定的CEI，这可以有效防止钒的溶解，阻断正极和电解液之间的水穿梭。
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图2 CEI的表征
因此，通过采用超低水活性（UWA）电解液的独特溶剂化结构，V6O13正极在1 A g-1的条件下，经过3 000次循环后表现出99.43%容量保持率的特殊稳定性，并创造了锌离子电池30000次循环寿命的新纪录（10 A g-1，容量保持率为90.34%），甚至达到了超级电容器的水平（∼100000次）。因此，这项工作提供了一种有前景的超低水活性电解液，它使钒基正极具有持久的循环性能，以用于锌离子电池。
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图3 基于UWA的V6O13正极的电化学性能
Ultralow-water-activity Electrolyte Endows Vanadium-based Zinc-ion Batteries with Durable Lifespan Exceeding 30 000 Cycles. Energy Storage Materials 2022. DOI: 10.1016/j.ensm.2022.09.027
 
7. 杨慧军/周豪慎/杨全红PNAS：引入3A分子筛膜，实现高倍率硬碳负极！
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硬碳被认为是钠离子（Na-ion）电池最有前景的负极材料，因为它具有高丰度、低成本和低工作电位等优点。然而，硬碳负极的倍率能力和循环寿命远远不能令人满意，严重阻碍了其工业应用。
日本筑波大学杨慧军、周豪慎、天津大学杨全红等人报告了一种分步脱溶剂化策略，以提高硬碳负极在酯类和醚类电解液中的倍率能力和循环稳定性。
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图1 3A沸石分子筛薄膜实现预脱溶剂化电解液
具体而言，随着3A沸石分子筛薄膜的引入，硬碳负极上的直接脱溶剂化演变成逐步脱溶剂化，并大大降低了活化能。此外，分步脱溶剂化使电解液配置超出了浓缩的范围，它导致了一个薄的、无机物为主的SEI的形成，并在很大程度上降低了Na+通过SEI传输的活化能。因此，对快速Na+运输动力学的协同改进赋予了鲜有报道的倍率性能。
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图2 电解液的性能对比
结果，当应用分步策略时，在所有评估的电流密度（0.2、0.5和1 A g-1）下，硬碳负极在所有报道的文献中均显示了最长的寿命和最小的容量衰减率。此外，随着电流密度的增加，在平台区的容量比例得到了广泛的提高。在长期循环过程中，当电流密度为0.5 A g-1时，可保持高达73%的平台容量比例。总之，从这项脱溶剂化研究中得到的启示将阐明Na-ion电池的实际应用，这也有望在其他类型的可充电池中产生有希望的结果。
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图3 电化学性能对比
Step-by-step desolvation enables high-rate and ultra-stable sodium storage in hard carbon anodes. PNAS 2022. DOI: 10.1073/pnas.221020311
 
8. 贺艳兵/柳明EEM：多功能界面层设计实现室温稳定固态锂金属电池！
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Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3(LATP)与锂负极之间的接触不良和副反应导致锂沉积不均匀和高界面阻抗，这大大阻碍了LATP在高能量密度固态锂金属电池中的实际应用。
清华大学深圳研究生院贺艳兵、柳明等将强铁电材料BaTiO3（BTO）引入到聚（偏氟乙烯-三氟乙烯-氯三氟乙烯）[P(VDF-TrFE-CTFE)]（记为B-TERB）中，作为高离子传导性界面层，开发了一种多功能的界面层。
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图1 锂沉积的示意
该界面层不仅可以诱导锂离子的均匀和横向沉积，而且还可以减少锂/LATP的界面阻抗并抑制副反应。铁电B-TERB夹层表现出自发的偶极矩，在电池的电场中可以反转，产生一个反极化电场，反极化电场可以中和局部集中的电场，以缓解 “尖端效应”，并使锂离子分布均匀，从而实现沿其表面的水平锂沉积。因此，锂尖端的消除与B-TERB夹层的均匀锂离子传输相结合，有效地抑制了锂枝晶的生长，并避免了它们与LATP发生副反应，从而确保在长时间的循环中具有良好的固态电池性能。
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图2 对称电池性能
结果，在室温（RT）条件下，Li/LATP@B-TERB/Li对称电池可以在0.2 mA cm-2条件下稳定循环1800小时，在0.5 mA cm-2条件下稳定循环1000小时。此外，在RT下的LiFePO4(LFP)/LATP@BTERB/Li全电池也表现出优秀的循环性能，在0.5C下可循环250次。总体而言，这项工作为匹配陶瓷电解质的先进全固态电池提供了通用的界面设计策略。
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图3 全电池性能
Engineering Ferroelectric Interlayer between Li1.3Al0.3Ti1.7(PO4)3 and Lithium Metal for Stable Solid-State Batteries Operating at Room Temperature. Energy & Environmental Materials 2022. DOI: 10.1002/eem2.12531

原创文章，作者：华算老司机，如若转载，请注明来源华算科技，注明出处：https://www.v-suan.com/index.php/2022/10/11/1286d59758/

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