在此，韩国科学技术院（KAIST）Seokwoo Jeon, Il-Doo Kim以及美国伊利诺伊大学厄巴纳香槟分校（UIUC）Paul V. Braun等人报道了一种用于实现3D双连续纳米网络（3D PIN/Ni）的光刻制造策略，该技术重复性好、可扩展性强。该网络由周期性多孔Ni支撑的氧化还原活性聚酰亚胺层（孔半径<300 nm）组成，为电子和离子传输提供高导电通路。通过结构工程，Ni具有优异的硬度、电化学稳定性和高导电性（1.43×107 S m-1），3D Ni提供了用作有机电极材料载体所需的各种性能的必要组合。采用聚酰亚胺基多羰基聚合物纳米粒子（PIN）作为有机电活性材料，其电解质溶解度低，理论容量高（1460 mAh g-1）。
通过这种3D结构负极中几乎所有不饱和C=C键的超锂化，实现了1260 mAh g-1的高可逆容量，在10C倍率下250次循环后容量保持率为82.8%。这项研究首次在高达400C倍率下实现了有机负极的锂离子存储，容量为664 mAh g-1/2810 mAh cm-3），超过了快充混合动力电动汽车的目标线（半电池级别容量为1000 Wh kg-1/1500 Wh L-1），为高性能有机电池开辟了新的工程机会。
图1. 锂化/脱锂过程中CV曲线和Nyquist图的电化学变化
图2. 3D PIN/Ni与商业有机负极的性能比较
3D periodic polyimide nano-networks for ultrahigh-rate and sustainable energy storage, Energy & Environmental Science 2021. DOI: 10.1039/D1EE01739J
锂金属的高比容量是满足当前可充电电池需求的理想选择，但锂枝晶和不可逆的体积膨胀是应用的主要障碍。3D锂主体材料可以通过大表面积降低电流密度并在其孔隙中容纳锂金属来缓解这些问题。然而，由于锂离子通过曲折孔扩散缓慢导致锂枝晶堵塞，从而导致枝晶生长，因此持续观察到锂枝晶。在此，美国德克萨斯农工大学Choongho Yu博士等人将MOF层涂覆在化学处理的碳纳米管支架（C-CNT）整个外表面（LM-CNT）或支架中的单个碳纳米管（IM-CNT）上，通过在动态现场原位（operando）条件下直接可视化电池和在扫描电镜下对碳纳米管电极横截面的非原位观察研究其镀锂行为。CNT支架外侧的MOF层增加了多孔支架中锂的嵌入（8 mA cm-2时为24 mAh cm-2）和锂电镀/剥离寿命（保持20 mAh cm-2循环1700 h以上）。MOF具有足够大的孔以供锂离子渗透，其电绝缘特性会产生电容效应，将锂离子分布在MOF层的表面，以避免在镀锂过程中出现枝晶生长和堵塞。因此，LM-CNT负极具有出色的体积和重量容量（≈940 mAh cm-3和≈980 mAh g-1）以及出色的累积容量（≈4.9 Ah cm-2）。这种有前途的方法可以在存储锂时无枝晶，以提供当前可充电电池所需的高能量密度。图1. 基于LM-CNT、C-CNT、IM-CNT电极电池的operando观察图2. LM-CNT电极的横截面SEM图像及电化学性能Large Cumulative Capacity Enabled by Regulating Lithium Plating with Metal-Organic Framework Layers on Porous Carbon Nanotube Scaffolds. Advanced Functional Materials 2021. DOI: 10.1002/adfm.202104899
5. 浙大姜银珠AFM: 氨基酸诱导界面电荷工程实现高度可逆的锌负极
尽管水系锌离子电池（AZIBs）具有低成本和高安全性等令人印象深刻的优点，但长期以来，枝晶生长和锌金属负极的副反应等问题一直没有得到解决。在此，浙江大学姜银珠教授等人报道展示了一种由电解液中氨基酸添加剂诱导的锌-电解液界面电荷工程的新策略，用于高度可逆的镀锌/剥离。通过静电优先吸附锌金属负极表面带正电荷的精氨酸分子 (Arg) ，建立自适应锌-电解液界面，抑制水的吸附/析氢，引导锌的均匀沉积。因此，在4 mAh cm-2的面容量，5 mA cm-2的大电流密度下，Zn对称电池可实现2200h的超长稳定循环。即使在10 mA cm-2的超高电流密度下，也能实现长达900 h的稳定循环，表明锌-电解液界面具有可靠的自适应特性。这项工作为实现高度可逆的块状锌金属负极提供了界面电荷工程的新视角，可促进其在可充电AZIBs中的实际应用。图1. 三种氨基酸的DFT计算模型以及有无添加剂的Zn对称电池的性能图2. Zn|ZnSO4 +Arg|MnO2全电池的电化学性能Amino Acid-Induced Interface Charge Engineering Enables Highly Reversible Zn Anode, Advanced Functional Materials 2021. DOI: 10.1002/adfm.202103514
有机分子由于其可调节的理论容量和环境友好性，是用于绿色和可持续可充电电化学储能的有前途的电极材料。然而，有机电极材料在电解液中的高溶解度和固有的低电子电导率阻碍了其商业化应用。在此，湘潭大学高平教授等人报道了将一系列双极乙炔基卟啉配合物（MTEPP, M=Cu, Zn, Mg, 2H）作为高稳定性的新型双离子存储通用正极材料。受益于其双极性能力，阳离子（Li+, Na+, K+）和阴离子（PF6–和TFSI–）均可用作电荷载流子以提供快速动力学和出色的电荷存储能力。基于卟啉电极的高度共轭结构和增强的稳定性，当CuTEPP用作有机锂电池（OLIBs）的正极时，获得219 mAh g-1的高可逆容量。ZnTEPP正极在1.0 A g-1时1000次循环后的容量保持率为83.6%，可逆容量为128 mAh g-1。在钠基和钾基电池中也观察到了良好的循环稳定性和高度可逆的能力。通过不同的光谱和显微技术以及DFT模拟研究表明，电荷存储主要受赝电容贡献控制，从而实现超快反应动力学。这项研究为开发用于电化学储能的超稳定和通用有机正极提供了一种新方法。图1. M-TEPP的分子结构及充电过程示意图图2. M-TEPP正极材料的电化学性能A Bipolar Organic Molecule Toward a Universal Pseudocapacitive Cathode for Stable Dual Ion Charge Storage, Energy Storage Materials 2021. DOI: 10.1016/j.ensm.2021.08.003
