电池顶刊集锦：陆俊、吴兴隆、李林森、张乃庆、曲干、孙正明、赵光宇、闫春泽、赵永杰、王书华等成果！

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1. 郑大曲干/张佳楠NML：量子自旋交换相互作用加速锂硫电池的氧化还原动力学

电池顶刊集锦：陆俊、吴兴隆、李林森、张乃庆、曲干、孙正明、赵光宇、闫春泽、赵永杰、王书华等成果！

电催化剂的自旋工程被用来抑制锂硫电池中的”穿梭效应”。量子自旋交换相互作用可优化自旋选择、自旋电子迁移率和活化势垒中的自旋电位，从而显著降低催化剂轨道中的电子排斥。

图1. 材料表征

郑州大学曲干、张佳楠等证明了通过操纵MgPc的自旋极化电子可以显著加快锂离子电池的转化动力学。具体而言，这项工作通过将MgPc锚定在氟化碳纳米管基体（简称MgPc@FCNT）上，提出了F配位策略来调节镁位点的电子分布和能级排列。根据密度泛函理论（DFT）计算，MgPc@FCNT中的电子自旋极化不仅增加了对多硫化物中间体的吸附能量，还促进了锂硫电池中电子的隧穿过程。

图2. 对多硫化物的催化转化

因此，MgPc@FCNT在锂硫电池中表现出长期循环稳定性，在2 C条件下的1000 次循环中，每次循环的超低容量衰减仅为0.029%。特别是，即使在4.5 mg cm^-2的高硫负载下，经过100次循环后仍能保持5.1 mAh cm^-2的高可逆面容量。这项工作为扩展主族单原子催化剂以实现高性能锂硫电池提供了一个新的视角。

图3. 锂硫电池性能

Quantum Spin Exchange Interactions to Accelerate the Redox Kinetics in Li–S Batteries. Nano-Micro Letters 2024. DOI: 10.1007/s40820-023-01319-8

2. 东南大学孙正明/潘龙EnSM：利用双功能ZnTe实现锌阳极保护和转换型阴极，开发兼容的水系锌离子电池

水系锌离子电池（AZIBs）为电网规模的能源存储提供了一种极具吸引力的解决方案，但在寻找相互兼容的先进锌阳极和阴极方面却面临着巨大挑战。

图1. ZnTe的合成与表征

东南大学孙正明、潘龙等提出了一种多功能材料–碲化物（特别是 ZnTe），它可以同时作为锌阳极保护层和阴极材料，具有极佳的兼容性和性能。理论计算证明，ZnTe具有优异的物理化学特性，包括高电子传导性、良好的Zn²⁺吸附和扩散性以及Zn²⁺吸收/释放时的结构稳定性，这些特性对于锌阳极保护和Zn²⁺储存都至关重要。实验结果证实，ZnTe能有效保护锌阳极，防止枝晶生长和表面腐蚀，同时促进快速锌沉积/剥离动力学。

图2. 枝晶生长和表面腐蚀观察

结果，锌阳极在1 mA cm^-2的条件下具有3100小时的循环寿命，且电压滞后极小，仅为38 mV。此外，ZnTe阴极呈现出ZnTe⇄ZnTe2⇄Te的转换反应机制，具有出色的平台容量。另外，作者还通过组装全电池证明了ZnTe基阳极和阴极之间的良好兼容性，这种电池具有优异的循环能力（在2 A g^-1的条件下，经过1000次循环后容量保持率为80%）。该工作为AZIBs的兼容和先进电极材料提供了总体设计指南。

图3. 全电池性能

Exploiting Bifunctional ZnTe for Zn Anode Protection and Conversion-Type Cathode Toward Compatible Aqueous Zn-Ion Batteries. Energy Storage Materials 2024. DOI: 10.1016/j.ensm.2024.103228

3. 上海交大李林森AEM：通过实验室制备的Ah级软包电池加速电池材料研究

电池材料研究对于下一代电池的开发至关重要。然而，从实验室规模研究（通常以克为单位）到工业相关研究（即公斤级）的过渡，一直受制于放大合成方面的挑战，以及缺乏可靠的方法来验证实验室制备材料的电化学性能。

图1. 通过实验室制备的软包电池加速电池材料研究

上海交通大学李林森等展示了一种方法，可对实验室规模的电池材料（重量小于5克）进行亚Ah级软包电池评估。研究发现，通过制备具有适当粘度和固体含量的合格浆料，无需使用复杂的涂布机，就能在研究实验室生产出紧凑、均匀的电池电极。

这项工作提供了详细的软包电池组装工艺，并通过在实验室自制的软包电池中评估几种不同的锂离子阴极材料和一种钠离子阴极材料，验证了这种方法的有效性和可靠性。实验显示，重复的NCA-石墨电池在经过1000次充放电循环后仍能保持84.29±0.16%的初始容量，这充分说明该方法具有显著的电化学性能和一致性。

图2. 电池浆料和电极的制备示意图

作者通过在工作电池侧面引入一个LFP基辅助电极（AE）和一个铜电极，进一步开发了四电极软包电池。通过利用AE_LFP中的锂离子在铜电极上沉积锂金属，可生产出长寿命的参考电极（RE_Li）。四电极设计可实现对工作阴极和工作阳极的在线监测，例如它们各自的SOC（有助于确定合适的N/P比）和电化学阻抗，以及阳极侧析锂的临界倍率。此外，还可以通过跟踪RE_Li和AE_LFP之间的电压差来监测RE_Li的健康状况，利用AE_LFP的锂离子重新沉积锂金属，可以方便地修复退化的RE_Li，这大大延长了RE_Li的使用寿命，并能在长期循环过程中进行电化学监测和电池诊断。

此外，四电极软包电池将来还可以与超声波成像或X射线成像技术相结合，实现电池材料的多模式表征。该方法适用于多种电池材料，能加速识别有潜力的电池材料，并有效提高其技术成熟度。

图3. 软包电池装配示意图

Catalyzing Battery Materials Research via Lab-Made, Sub-Ampere-Hour-Scale Pouch Cells, and Long-Term Electrochemical Monitoring by a Reparable Reference Electrode. Advanced Energy Materials 2024. DOI: 10.1002/aenm.202304512

4. 哈工大张乃庆/赵光宇AEM：基于区域偏析的多功能双层稳定无枝晶固态锂电

锂的不均匀沉积和电解液中Li⁺的减少所引发的锂枝晶问题严重阻碍了石榴石基固态电池的实际应用。

图1. Li和LLZTO之间的界面示意图

哈尔滨工业大学张乃庆、赵光宇等在石榴石和锂阳极之间引入了基于焊接过程中偏析现象的多功能双层（MDL）, 以解决这一问题。具体而言，这项工作通过调节冷却速度，构建了具有双层结构的BiLi₃/LiCl₃夹层。

研究显示，电解质一侧富含的LiCl₃具有极低的电子传导性，可有效阻挡电子并防止电解质侵蚀。在阳极侧，富含BiLi₃的层可调节局部电流分布，确保锂的均匀沉积/剥离，并防止在界面上形成枝晶。此外，这种基于焊接的制备方法实现了金属电极和陶瓷电解质之间牢固安全的连接。

图2. 界面和临界电流密度研究

因此，这种具有双层特殊结构界面修饰的Li|LLZTO-MDL|Li电池可实现2.9 mA cm^-2的高临界电流密度，并可在0.3 mA cm^-2下稳定循环10000小时以上。这些优异的电化学性能凸显了通过区域偏析形成的多功能双层界面在解决锂枝晶问题方面的显著效果。因此，这种简单有效的制备方法在开发基于石榴石的高性能固态电池方面具有巨大潜力。

图3. 对称电池和全电池性能

Multifunctional Double Layer Based on Regional Segregation for Stabilized and Dendrite-Free Solid-State Li Batteries. Advanced Energy Materials 2024. DOI: 10.1002/aenm.202304112

5. 华科闫春泽/方淳EnSM：利用多位点锚定效应调节锌粉表面的局部化学环境，实现高稳定的锌阳极

水系可充锌离子电池（ZIB）因其安全性高、充放电速度快、成本低以及可直接利用锌金属阳极而备受关注。基于锌粉（Zn-P）的阳极被认为是锌基电池的理想候选材料，因为它们通过设计N/P比，在安全性和能量密度方面实现了积极的协同整合。然而，Zn-P阳极仍存在易腐蚀、析氢和枝晶生长失控等问题，这限制了其进一步应用。

图1. 对称电池性能及形貌演化

华中科技大学闫春泽、方淳等将聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）水凝胶与锌粉相结合，获得了一种新型Zn-PD 阳极。研究发现，PEGDA具有丰富的酯基，可通过多位氢键锚定游离水。此外，酯基还能与Zn²⁺配合，改变周围溶剂化的H₂O的氢键结构。因此，在Zn-PD阳极可观察到相对光滑平整的沉积表面。此外，Zn-PD阳极中Zn²⁺的剥离和沉积过程中的产气也减少了。

图2. Zn//NVO全电池性能

实验显示，在Zn-PD//Zn-PD对称电池中，Zn-PD电极在1 mAh cm^-2的条件下可进行长达200小时的锌沉积/剥离循环，且过电位低至0.120 V，这与裸锌在电化学循环过程中明显较大的过电位（>0.5 V）和电压波动形成了鲜明对比。因此，在锌离子电池的商业化过程中，使用具有多种强氢键受体的添加剂来抑制水引起的锌阳极寄生反应前景广阔。

图2. 分子动力学模拟

Regulating the local chemical environment of Zn powder surface by multi-site anchoring effect to achieve highly-stable Zn anode. Energy Storage Materials 2024. DOI: 10.1016/j.ensm.2024.103229

6. 赵永杰/陆俊/袁轩一AFM：基于构型熵的高性能钠离子电池聚阴离子阴极

聚阴离子钠离子阴极因其出色的结构稳定性而备受关注。然而，低比容量仍然是阻碍其实际应用的一个亟待解决的问题。

图1. Me-NVMP的设计

北京理工大学赵永杰、浙江大学陆俊、中国人民大学袁轩一等提出了一种中熵NASICON结构阴极Na_3.5V_0.5Mn_0.5Fe_0.5Ti_0.5(PO₄)₃（Me-NVMP）。该阴极结合了V、Mn、Fe和Ti电化学活性元素的优势，具有高能量密度的Na⁺储存性能和快速充电特性。结果，该阴极实现了Ti³⁺/Ti⁴⁺、Fe²⁺/Fe³⁺、V³⁺/V⁴⁺/V⁵⁺和Mn²⁺/Mn³⁺/Mn⁴⁺偶联的高可逆氧化还原反应（1.8-4.4 V），并有效缓解了MnO₆ Jahn-Teller畸变引起的结构退化和4.0 V（vs. Na+/Na）以上的不可逆结构变化。

图2. Me-NVMP电极的电化学性能

实验显示，Me-NVMP在0.1 C时实现了165.8 mAh g^-1的高可逆比容量。更令人印象深刻的是，Me-NVMP通过调节NASICON中的构型熵产生了超强的倍率能力和循环稳定性。具体来说，Me-NVMP阴极在100C（17 A g^-1）下循环10,000次后，容量保持率可达83.5%。此外，即使在0℃的温度下（在20 C下经过1000次循环后的容量保持率为93.45%），这种阴极也具有出色的循环性能。这项工作为设计高性能聚阴离子电极材料提供了新策略。

图3. Me-NVMP//HC全电池性能

A Configuration Entropy Enabled High-Performance Polyanionic Cathode for Sodium-Ion Batteries. Advanced Functional Materials 2024. DOI: 10.1002/adfm.202314019

7. 山东大学王书华/刘宏EEM：通过低极性助溶剂调节电解液溶剂化结构，用于低温锌离子电池

水系锌离子电池因成本低、安全性高而被视为大规模储能系统的理想候选材料，但其低温性能较差，限制了其应用。

图1. 电解液表征

山东大学王书华、刘宏等在Zn(ClO₄)₂的水溶液中加入了低极性、低粘度的二甘醇（DGM），从而构建了一种低温电解液。研究显示，当DGM与水的体积比为6:4 (DGM60)时，电解液的凝固点降至-105℃，且在-45℃时离子电导率为16.18 mS cm^-1。

光谱分析和分子动力学模拟验证了DGM和ClO₄-调节了Zn²⁺的内溶剂化结构，该溶剂化结构更有利于Zn²⁺的解溶剂化。得益于DGM和ClO₄-对氢键网络的破坏和对溶剂化结构的调控，阳极上的枝晶、析氢反应和副产物都得到了抑制。

图2. 半电池性能

结果，在电流密度为1 mA cm^-2和容量为1 mA h cm^-2的条件下，Zn||Zn电池在25℃下可循环使用1600小时，在-20℃下可循环使用5200小时。此外，在-20℃时，Zn|||Cu在1 mA cm^-2和1 mA h cm^-2条件下的库仑效率高达99.9%。

另外，在1 A g^-1的条件下，锌||聚苯胺（PANI）电池在25℃的初始放电容量为100.0 mA h g^-1，在-20℃的初始放电容量为88.8 mA h g^-1。并且，Zn||PANI电池具有10000次的超长循环寿命，且无容量衰减。即使在-50℃，Zn||PANI电池也能稳定循环600次，容量保持率达98.5%。这项研究为今后设计具有高离子电导率和低温易脱溶剂化的可充电池电解液提供了启示。

图3. 全电池性能

Modulating the Electrolyte Inner Solvation Structure via Low Polarity Co-solvent for Low-Temperature Aqueous Zinc-Ion Batteries. Energy & Environmental Materials 2024. DOI: 10.1002/eem2.12707

8. 东北师大吴兴隆 Angew：具有低应变和约束相变的熵调节阴极，实现超长寿命水系铝离子电池

在多价离子插入过程中，电荷载流子与宿主之间强烈的静电相互作用使得高性能的可逆铝离子存储仍然是一个难以实现的目标。由于强大的静电排斥力和较差的鲁棒性，包括普鲁士蓝类似物（PBAs）在内的金属有机框架在可逆的Al³⁺插入过程中不可避免地受到巨大应变和相变的严重影响。

图1. ME-PBAs的表征

东北师范大学吴兴隆等使用熵产生策略设计了具有各种氧化还原活性金属元素的结构增强介质熵普鲁士蓝类似物（ME-PBAs）框架，用于高水平的强静电相互作用铝离子存储。以Mn-PBAs为例，各种过渡金属元素协同增强了其电化学性能，主要体现在工作电压、比容量和长循环寿命方面。

更重要的是，共占Ni/Co/Cu/Mn元素可将Mn-PBAs 的熵值提升到中熵水平，因此，强化的晶体结构有利于铝离子的可逆扩散，且 PBAs不会发生明显的相变。根据非原位XRD结果，制备的ME-PBAs阴极在插入Al³⁺时具有低应变固溶行为，电池参数变化率仅为1.2%。此外，PBAs框架内间隙水分子数量的减少也会降低静电相互作用阻抗。

图2. ME-PBAs阴极的性能

因此，ME-PBAs阴极在0.05 A g^-1放电条件下可达到110.5 mAh g^-1的高放电比容量，并具有超长的循环寿命（在1.0 A g^-1条件下循环10,000次后容量保持率为66.9%）。在放电/充电过程中，电容型扩散过程占主导地位，这表明铝离子在PBAs框架中的转移速度加快。

此外，结合MoO₃阳极，作者还组装出了铝离子全电池装置，其在0.5 A g^-1电流条件下，其比容量为60.9 mAh g^-1，600次循环后容量保持率为89.7%。这项工作为基于熵调节策略开发高性能水性多价离子电池（尤其是AIBs）的阴极材料提供了重要启示。

图3. MoO₃//ME-PBAs电池性能

Entropy-Regulated Cathode with Low Strain and Constraint Phase-Change Toward Ultralong-Life Aqueous Al-Ion Batteries. Angewandte Chemie International Edition 2024. DOI: 10.1002/anie.202316925

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