电池顶刊集锦：徐峰、刘继磊、王青松、肖助兵、李成超、孙旭平等成果！

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1. Journal of the American Chemical Society：固体核磁共振揭示蜂窝状Na2MgxZn2-xTeO6固体电解质中的钠离子动力学
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全固态钠离子电池（SIBs）具有潜力成为工业领先的锂离子电池的大规模、安全、经济实惠和可持续的能量存储解决方案的补充。然而，为了增强SIB组分（例如固体电解质）的性能，对其原子尺度结构和钠离子动态行为的全面理解是必要的。
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在此，加拿大阿尔伯塔大学Vladimir K. Michaelis团队利用一种稳健的磁共振方法探索了一种新型的Mg/Zn均匀混合阳离子蜂窝层状氧化物Na2MgxZn2–xTeO6系列。这些新的中间化合物表现出可调控的Na离子导电性（σ），其中Na2MgZnTeO6在室温下具有最高σ = 0.14 × 10–4S cm–1，适用于SIB固体电解质应用。
通过粉末X射线衍射（XRD），能量色散X射线（EDX）光谱和场发射扫描电子显微镜（FESEM）等发现这些新化合物在P6322空间群中具有高度晶体纯度。在所有固溶体中，具有最大Mg/Zn无序性的Na2MgZnTeO6显示出最高的短程Na离子动力学特性。
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图1. P2型Na2M2TeO6（M = Mg或Zn）的晶体结构
总之，该工作通过高温固相合成方法展示了连续M位取代的Na2MgxZn2–xTeO6(0 ≤ x ≤ 2)固溶体。利用粉末X射线衍射、固态核磁共振和粉末交流阻抗谱技术，探索了Mg/Zn取代引起的长程和短程结构变化；这些结果揭示了系列中的均匀阳离子混合以及其对局部和整体物理性质的影响。
这些廉价且丰富的氧化物材料具有在全固态SIB应用中作为固体电解质的潜力，通过二维钠层实现快速钠离子传导，粉末交流阻抗谱结果表明，通过调整Mg/Zn组分比例可以调控这些材料中的钠离子导电性。在具有最高Mg/Zn位无序度的中间成员Na2MgZnTeO6中，室温下表现出最大的离子导电率为0.14 × 10–4S cm–1，并具有53 kJ mol–1的活化能。
粉末X射线衍射分析阐明了长程结构行为，并通过FESEM和EDX光谱验证了均匀的元素组成。除了研究长程周期性的粉末X射线衍射研究外，还采用了23Na、125Te、25Mg和67Zn核磁共振方法来研究材料系列中的局部结构演变。125Te核磁共振确定了Mg/Zn位在Te原子周围的第二配位环境中的随机分布(Te[MgnZn6–n]; n = 0–6)，但无法证明这些固体电解质中存在聚集或纳米领域的形成，这一结果得到了25Mg和67Zn核磁共振以及电子结构计算的补充。
通过使用可变温度的23Na核磁共振弛豫法，在高场(B0= 21.1 T)下进行了二维23Na核磁共振(3QMAS)实验，清晰地分辨出样品中存在的三个不同的钠位点(4f、6g和2a)。此外，通过使用可变温度的23Na核磁共振弛豫法，作者在各种高温下(292 ≤ T ≤ 857 K)捕捉到了钠离子的原子级扩散，揭示了根据不同的Mg/Zn负载调整的可调节激活能壁垒。因此，该工作为SIB应用中新兴的含钠固体电解质的局部、原子级结构以及整体结构提供了见解。
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图1. 电化学性能
Unraveling Sodium-Ion Dynamics in Honeycomb-Layered Na2MgxZn2–xTeO6 Solid Electrolytes with Solid-State NMR, Journal of the American Chemical Society 2023 DOI: 10.1021/jacs.3c04928

2. Advanced Materials：硒正极活化助力水系锌离子电池

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水性可充电锌离子电池（ARZIBs）由于水性电解质和锌金属负极的优越安全性和低成本，是一种有前途的下一代储能装置。然而，由于缺乏能够提供轻质和紧凑尺寸的具有高体积容量的合适正极其发展受到了阻碍。
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在此，东南大学徐峰&清华董岩皓&哈尔滨工程大学朱凯等人报道了一种基于掺杂有过渡金属Ru的非晶Se的新型正极化学，该化学减轻了Se正极和水性电解质之间的副反应产生的电阻表面层。这种改进可以允许在该系统中具有高的体积容量。与Se||Zn电池中Se和ZnSe之间的传统转换机制不同，该策略在Ru掺杂的非晶Se||Zn-半电池中实现了同步质子和Zn2+的嵌入/脱嵌。
此外，该系统中Zn2+沉积/剥离过程有助于这种新型正极化学的优异电化学性能。因此，发现Ru掺杂的非晶Se||Zn半电池提供了721 mAh g−1/3472 mAh cm−3的创纪录的高容量，以及超过800次循环的优异循环稳定性，每次循环只有0.015%的容量衰减。
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图1. 电池性能
总之，该工作探索了一种正极化学方法，可以实现高性能的水系Zn||Ru掺杂非晶Se电池。DFT计算表明，通过将过渡金属掺杂与非晶化工程相结合，可以提高正极动力学，从根本上避免表面钝化和电压极化。结果表明，合成的a-Ru0.14Se正极的容量为721 mAh g-1/3472 mAh cm-3，具有800次循环的长循环稳定性，容量保持率为88.12%。
实验表明，锌(Zn2++ 2e–→Zn)的沉积反应对获得高容量和长循环寿命起着关键作用。因此，该研究将为研究Zn||Se水系电池提供新的视角。此外，所提出的设计原理可以扩展到硫族其他元素材料的高效储能装置。
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图2. 作用机制
Activating Selenium Cathode Chemistry for Aqueous Zinc-Ion Batteries, Advanced Materials 2023 DOI:10.1002/adma.202306580

3. Advanced Functional Materials：优化动力学以增强碳基阳极中的钾离子储存

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传统石墨负极的缓慢动力学极大地限制了其快速充电能力，这对于钾离子电池（PIBs）的商业化至关重要。硬碳具有随机取向的假石墨微晶，可实现均匀的反应电流和优越的倍率性能。
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在此，湖南大学刘继磊教授团队通过球磨将石墨和硬碳均匀混合，制备了一系列具有不同硬碳/石墨比例的杂化负极。通过组合相场模拟的综合实验结果表明，杂化负极具有均匀的反应电流和K+吸附硬碳与非钾化石墨之间的电位差。
混合负极中的均相反应电流促进了电极材料的充分利用，从而提高了可逆容量。目前K+吸附硬碳和非钾化石墨之间的电位差提供了额外的电场力，促进了K+从硬碳扩散到最近的相邻石墨中。
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图1. 电极表面形貌
总之，该工作制备了一系列硬碳和石墨均匀混合负极，并对它们的电化学行为进行了详细的评估。通过综合电化学分析、先进的成像方法和模拟确定了硬碳和石墨之间的协同效应。反应电流的均匀分布促进了活性材料的利用，硬碳和非钾化石墨之间的电位差提供了有效的电场力，有利于钾离子插入石墨中。
结果显示，混合负极实现了优化的 K+ 扩散动力学和均匀的充电状态，具有增强的插层容量（0.1C 下为 305 mAh g-1）和令人满意的循环性能（2C 下 350 次循环后容量保持率为 58.4%）。因此，该项工作更好地展示了混合负极中石墨和硬碳之间的协同效应，为开发高性能 PIB 铺平了道路。
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图2 半电池的电化学性能
Optimizing Kinetics for Enhanced Potassium-Ion Storage in Carbon-Based Anodes, Advanced Functional Materials 2023 DOI: 10.1002/adfm.202306190

4. Nature Communications：通过先进的纤维实验室技术对商用锂离子电池的热失控进行运行监测

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在热失控过程中对可充电锂离子电池内部复杂的物理和化学活动进行运行监测，对于了解热失控机理和提供安全相关故障的早期预警至关重要。然而，现有的大多数传感器都无法在这种极其危险的热失控过程（温度高达 500 ℃，并伴有火灾和爆炸）中正常工作。
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在此，中国科学技术大学王青松、暨南大学郭团团队开发了一种紧凑型多功能光纤传感器（长度为12mm，直径为125µm），能够插入商用18650电池中，以连续监测电池热失控期间的内部温度和压力影响。观察到电池热失控和光学响应之间存在稳定且可重复的相关性。传感器的信号显示两个内部压力峰值，对应于安全通风和热失控的启动。
进一步的分析表明，预测即将发生的热失控的一个可扩展的解决方案是检测电池温度和压力微分曲线的突变范围，这对应于电池可逆和不可逆反应之间的内部转换。通过在安全泄压之前发出警报，这种新的原位测量工具可以提供电池安全评估和热失控警告方面的关键功能。
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图1. 电池热失控测量的实验装置
总之，该工作利用提出的光纤传感器，成功地实现了对商用锂离子电池在热失控前和热失控过程中的内部温度和压力的现场操作性连续监测和精确解码，而不会干扰电池的运行。此外，我们还观察到并精确量化了电池热失控与光学响应之间稳定且可重复的相关性。
该传感器提供了一种可扩展的解决方案，可在安全排气前根据温度和压力差曲线的斜率变化确定热失控的安全预警范围。所提出的 FBG-FPI 光纤传感器在电池热失控之前、期间和之后都具有出色的传感特性和高再现性。它们体积小，形状灵活，具有抗电干扰能力和远程操作能力，可采用标准制造技术进行批量生产。
因此，通过融合电化学、传感技术和数据科学之间真正的多学科努力，新型嵌入式光纤实验室传感器将能够持续监测电池的健康和安全状态，并将促进更可靠的电池系统。可以通过一根光纤在电池的多个位置以原位方式同时监测各种关键参数，包括温度、压力、折射率、气体和离子浓度。
这提供了迄今为止无法实现的原位安全性关键能力以及有关电池健康状态和演变的补充信息。鉴于所需组件的光电集成潜力，设想这些技术在电动汽车等大众市场应用中的广泛使用并非不可想象。
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图2. 热失控机制和建立即将发生的电池损伤的早期预警
Operando monitoring of thermal runaway in commercial lithium-ion cells via advanced lab-on-fiber technologies, Nature Communications 2023 DOI: 10.1038/s41467-023-40995-3

5. Advanced Functional Materials：集成-多相催化清除“死硫”和“死锂”助力先进锂硫电池

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由于锂硫（Li-S）电池具有理论能量密度高、成本低和对环境无害等优点，因此被认为是最有希望满足快速增长需求的储能系统。然而，元素硫和 Li2S 之间复杂的多相多步转换反应通常会导致缓慢的氧化还原动力学、可溶性多硫化锂（LiPS）的穿梭以及锂电池的钝化，从而严重阻碍了Li-S 电池的发展、以及锂负极因形成不稳定的电极/电解质界面而钝化，所有这些都会导致非活性硫和非活性锂（即所谓的 “死硫 “和 “死锂”）的意外生成积累。死硫的缓慢电化学转化和副化学反应被认为是限制硫利用率的决定性因素，这与Li-S 电池的可逆容量较差相对应。
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在此，河南大学肖助兵教授团队挑战了Li-S 电池中异质催化剂和均质催化剂的传统观点，提出了集成-异质催化的概念，即只需在Li-S 电池的传统电解液中加入少量 ZnI2，就能同时清除死硫和死锂，弥补活性材料的硫和锂损失。在集成异相催化的调节下，Li||Li对称电池实现了超过 1300 小时的循环，显示了 ZnI2-掺杂电解液与锂金属的超强兼容性。
同时，在理论计算和实验测试中，ZnI2 在促进死硫再利用方面显示出良好的前景。实际上，在电解液匮乏和高负载的小软包电池（5.0 µL mg-1 和 5.2 mg cm-2）中，ZnI2 实现了 1170 mAh g-1 的高初始容量和良好的循环稳定性。
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图1. 对电池性能
总之，该工作针对Li-S 电化学的综合问题，提出了一种集成异相催化方法，只需在Li-S 电池的传统电解液中加入微量 ZnI2（0.2 × 10-3 M），即可同步清除死硫和死锂。加入 ZnI2 后，I–/I3- 的氧化还原耦合有助于提高不溶性 Li2S2 成分的利用率，缓解长链 LiPS 的穿梭，从而有效抑制死硫在正极区域的积累。另一方面，I–/I3- 的氧化还原耦合可实现稳定的锂剥离/沉积过程，消除死锂的积累，同时清除 SEI 中的非活性硫成分，从而使Li-S 系统具有综合的异相催化效应。
由于集成-均相催化作用的这些优势，具有实际相关参数（5.2 mg cm-2 和 5.0 µL mg-1）的Li-S 电池具有良好的电化学性能。因此，集成-异构催化技术有望促进高能量Li-S 电池甚至其他碱金属-硫电池的实际应用。
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图2. 全电池性能
Scavenging of “Dead Sulfur” and “Dead Lithium” Revealed by Integrated–Heterogeneous Catalysis for Advanced Lithium–Sulfur Batteries, Advanced Functional Materials 2023 DOI: 10.1002/adfm.202306321

6. Advanced Energy Materials：软固体状粘弹性锌粉负极用于高性能水系锌离子电池

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锌粉被认为是水系锌离子电池潜在的锌金属负极。然而，传统聚合物粘合剂复合锌粉负极中受限的离子/电子传输和体积效应导致的电接触故障降低了其电化学性能。
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在此，广东工业大学李成超教授&杜文城副教授团队提出了一种基于低聚物粘合的高性能软固体状粘弹性锌粉复合负极策略。得益于粘弹性特性，软固体锌粉复合材料(ss-ZnP)负极显著增强了电荷转移，减轻了体积效应，并均匀化了界面电场，从而实现了快速的电镀/剥离动力学和无枝晶的沉积形态。
此外，组装的NH4V4O10‖ss-ZnP全电池具有更高的容量(0.1 A g-1时为510 mAh g-1，1 A g-1时为300 mAh g-1)和更长的寿命，在1 A g-1时可循环500次，优于传统电池聚合物粘合剂复合锌粉负极和其他报道的流变锌粉基负极。
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图1. 制备流程
总之，该工作通过利用流变环氧低聚物(E-44)粘合锌粉和二维碳片，成功设计出粘弹性固体锌粉复合负极(即ss-ZnP)。柔软的类固体粘弹性结构不仅赋予ss-ZnP灵活的加工性能，而且还提高了电化学性能，包括增强离子/电子转移并实现无枝晶沉积。结果显示，所获得的复合负极表现出188 mS m-1的高电导率和快速离子扩散，这导致电压滞后低得多(在1 mA cm-2和1 mAh cm-2时165 mV vs 240–1550 mV)，优于传统聚合物复合锌粉负极和其他流变锌粉负极。
此外，NH4V4O10‖ss-ZnP全电池在0.1~2 A g-1的各种电流密度下具有出色的倍率性能、长循环耐久性(高达500次循环)和高放电容量(0.1 A g-1时为510 mAh g-1，1 A g-1时为300 mAh g-1)。从工程角度来看，ss-ZnP电极可以是独立的，并且可以方便的加工/成型，这对于未来面对薄膜/纤维状电极、叉指电极等多种需求的实际应用具有重要意义。因此，该工作的方法为制备用于二次储能装置的多功能金属粉末基负极提供了极大的便利，有助于研究多功能电极材料的设计和应用。
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图2. 可加工性能
Designing Soft Solid-like Viscoelastic Zinc Powder Anode toward High-Performance Aqueous Zinc-Ion Batteries, Advanced Energy Materials 2023 DOI: 10.1002/aenm.202301835

7. Energy Storage Materials：生物聚合物混合保护层用于稳定锌金属负极

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锌金属负极在大规模储能系统中的应用引起了人们的关注。然而，由于锌的可逆性较差，控制其成核和生长行为至关重要。
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在此，浦项科技大学Changshin Jo团队制备了一种由黄原胶和聚 (环氧乙烷) (PEO)制造的保护层(表示为XP PL)。该保护层具有结构化的表面形貌和丰富的含氧官能团。当仅使用玻璃纤维膜 (GF) 时，循环后观察到严重的锌枝晶生长。引入XP PL后，Zn金属受到物理/化学保护观察到无枝晶的Zn沉积。XP PL保护的Zn||Cu电池在2mAcm-2的电流密度下可长期运行>5000次。
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图1. XP PL的制备流程
总之，该工作制备了含有离子导电聚合物的生物聚合物保护层。由于聚合物之间的相互作用，膜的表面呈现出茎状结构。XP PL表现出光滑致密的表面（Rq ≈ 12 nm）和丰富的含氧官能团，导致均匀接触和对 Zn 金属的高亲和力。具有 XP PL保护的Zn-Cu 电池在 2 mA cm−2 和 1 mAh cm−2 下表现出 200 天的长循环寿命。
最重要的是，使用 Celgard 2400 和 XP PL 代替 GF 的 Zn-Cu 电池表现出循环稳定性，运行时间超过 1800 小时，Celgard 2400-XP PL 总厚度为 30 µm，比 GF 膜的厚度低六倍多。因此，该项研究确定了增强锌金属稳定性且促进水性 ZIB 发展的关键因素。
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图2. 电池性能
Biopolymer-Blended Protective Layer for Use in Stabilizing the Zinc Anode in Metal Battery Applications, Energy Storage Materials 2023 DOI: 10.1016/j.ensm.2023.102948

8. Advanced Materials：枝状磷硫化钴量子点实现高效钠存储

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新型钠离子电池（SIB）电极主体经过精心设计，包含多功能活性成分，可以协同克服电极严重体积变形和缓慢反应动力学的关键问题，从而极大提高电池性能。
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在此，电子科技大学孙旭平教授，重庆文理学院Wang Xiaodeng，湖州市转化医学重点实验室Feng Wenming等人首次报道了单相CoPS，一种用于SIB的新型金属磷硫化物，以量子点的形式成功引入到叶形导电碳纳米片中，该碳纳米片可以进一步原位锚定在三维互连分支氮掺杂碳纳米纤维（N-CNF）上进而构建分层分支叶形CoPS@C@N-CNF架构。
因此，CoPS@C@N-CNF 在 20.0 A g-1 下具有超过 10000 次循环的耐久性和倍率性能。同时，基于CoPS@C@N-CNF的钠离子全电池由于其在长期循环的高耐久性和显着的可逆容量，为实际应用提供了潜在的可行性证明。
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图1. 制备流程
总之，该工作成功将CoPS QD引入叶状 MOF 衍生的导电碳基质中，并在 3D 枝状 N-CNF 上进一步原位生长，形成分层的枝状 CoPS@C@N-CNF。3D枝状Cops@C@N-CNF首次应用于SIBs负极并发挥了巨大的优势。
该电极可实现出色的可逆容量和10000次长循环寿命，在20.0 A g-1的容量为126.5 mAh g-1，以及良好的倍率性能。组装的全电池在 3.0 A g-1 下可稳定循环 1000 次展示了实际应用的可行性。
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图2. 全电池性能
Hierarchical Architecture Engineering of Branch-Leaf-Shaped Cobalt Phosphosulfide Quantum Dots: Enabling Multi-Dimensional Ion-Transport Channels for High-Efficiency Sodium Storage, Advanced Materials 2023 DOI: 10.1002/adma.202305190

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