盘点：国内锂电领域院士陈立泉、万立骏、钱逸泰、吴锋、刘忠范、成会明、陈军等人最新研究成果

1、ACS Cent. Sci：室温柔性准固态可充电Na−O₂电池

可充电Na−O₂电池因其高能量密度、超低过电位和丰富的资源而被认为是最有前途的储能设备。不幸的是，使用液态电解液的传统Na−O₂电池经常会出现严重的枝晶生长、电解液泄漏和向Na金属阳极潜在的H₂O污染。在此，南开大学陈军院士报道了一种由聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物-4%SiO₂-NaClO₄-四乙二醇二甲醚组成的高性能可再充Na-O₂电池的准固态聚合物电解质（QPE）。通过密度泛函理论计算表明，QPE的氟碳链有利于Na⁺的转移，从而获得1.0 mS cm⁻¹的高离子电导率。有限元模拟结果表明，QPE独特的纳米孔结构和较高的介电常数可以在充放电过程中诱导电场均匀分布，从而实现无枝晶的均匀沉积。此外，QPE的非穿透纳米孔结构和氟碳链形成的疏水行为可以有效地保护Na阳极免受H₂O的侵蚀。因此，所制备的准固态Na−O₂电池在放电容量为1000 mAh g⁻¹时，平均库仑效率高达97%，并且在80圈循环中电压衰减可以忽略不计。作为概念证明，组装了软包Na−O₂电池，在从0°弯曲至360°后，其电化学性能稳定达∼400 h。这项工作展示了准固态电解质在高性能柔性钠氧电池中的潜在应用。该成果以“Room-Temperature Flexible Quasi-Solid-State Rechargeable Na−O₂ Batteries”为题，发表在ACS Cent. Sci上。DOI: 10.1021/acscentsci.0c00849。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscentsci.0c00849.

2、ACS Nano：插层诱导转换反应提供高容量钾储存

钾离子电池由于钾的天然丰度和钾离子氧化还原电位较低，显示出作为下一代电化学储能系统的巨大潜力。为了适应K离子的大离子半径，转换型电极材料被认为是适合存储K离子的材料。然而，大多数PIBs阳极材料的转换反应触发机制尚不清楚，这限制了它们的进一步发展。为了揭示其机理，清华-伯克利深圳学院成会明院士和周光敏副教授选择了MoSe₂、MoS₂和MoO₂作为模型材料，在理论计算的指导下，研究了K离子的存储过程。通过原位表征发现，在MoSe₂和MoS₂中优先发生插层反应，在MoO₂中优先发生吸附反应。这是因为MoSe₂和MoS₂的层间间距比MoO₂大，K离子插层屏障更低。优先插层反应可以通过降低反应屏障诱导进一步的转换反应，从而实现高的K离子存储能力。因此，MoSe₂-rGO和MoS₂-rGO杂化比MoO₂-rGO杂化表现出更高的可逆能力。作者通过阐明插层与转换反应之间的关系，了解其机理，为选择电极材料获得高性能的PIBs提供指导。该研究成果以“Intercalation-Induced Conversion Reactions Give High-Capacity Potassium Storage”为题，发表在ACS Nano上。DOI: 10.1021/acsnano.0c06606。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.0c06606.

3、Adv. Mater：二硫化钨中硫空位和异质结构诱导钠离子电池快速电子/离子扩散动力学

工程化新型电极材料具有独特的结构，对于调节二次电池系统的结构/电化学性能具有重要影响。近日，北京理工大学吴锋院士、吴川教授与武汉理工大学麦立强教授合作从组织良好的WS₂纳米棒出发，提出了一种新颖的一步法制备具有同轴碳涂层的双金属硫化物复合材料的方法，通过简单地ZIF-8的引入实现。可以同时形成富硫空位和WS₂/ZnS的异质结构，显著改善离子和电子扩散动力学。此外，复合材料表面周围的均匀碳保护层保证了出色的结构稳定性，在5000次循环后，以5 A g⁻¹的倍率可逆容量为170.8 mAh g⁻¹。基于在实际应用中具有很大潜力的WS_2−x/ZnS@C阳极和P2-Na_2/3Ni_1/3Mn_1/3O₂阴极组装的全电池可以保持在1 A g⁻¹下500次循环后，可逆容量为89.4 mAh g⁻¹。此外，通过理论计算、电化学动力学分析和操作X射线衍射表征，详细阐述了其电化学储钠机理。该成果以“Co-Construction of Sulfur Vacancies and Heterojunctions in Tungsten Disulfide to Induce Fast Electronic/Ionic Diffusion Kinetics for Sodium-Ion Batteries”为题，发表在Adv. Mater上。DOI：10.1002/adma.202005802。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202005802.

4、Adv. Energy Mater：界面集中约束抑制阴极在盐溶液中的溶解

由于水分子极性强，质量溶解是水电解质中阴极的主要问题之一。从原理上讲，质量溶解是一个热力学上有利的过程，由吉布斯自由能决定。然而，在实际情况下，溶解动力学（包括粘度、溶解质量迁移率和界面性质）也是影响溶解速率的关键因素。热力学和动力学溶解因子都可以通过电解质中盐与溶剂的比例来调节。近日，中科院物理研究所陈立泉院士和中国科学院大学索鎏敏研究员通过浓度控制阴极溶解，研究了敏感的Na₃V₂(PO₄)₃在溶液中的溶解性，其溶解性随时间、循环和荷电状态而变化，并用多种电化学和化学方法进行了评价。结果表明，盐电解质中的超高浓度具有高粘度、低钒离子扩散、低极性的溶剂水溶性和稀缺的溶质-水溶性表面。这些因素通过时间和物理空间局部质量界面约束显著降低了热力学控制的溶解度和溶解动力学，从而引入了一种新的界面集中约束机制，提高了实际水溶液可充式钠离子电池的循环稳定性。该成果以“Interface Concentrated-Confinement Suppressing Cathode Dissolution in Water-in-Salt Electrolyte”为题，发表在Adv. Energy Mater上。DOI: 10.1002/aenm.202000665。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202000665.

5、Adv. Funct. Mater：揭示含碳材料中杂原子硫的双刃性平衡储钾能力和稳定性

碳基体中的杂原子通常被认为是增强储钾能力的活性中心，但其对离子电池的不利影响尚不清楚。因此，中国科学技术大学钱逸泰院士和林宁副研究员通过控制前驱体的比例，在密闭高压釜中精确合成了一系列硫含量和结晶度可调的硫掺杂碳（SCDPx）。电化学测试表明，杂原子硫表现出双刃的电化学活性，其初始储钾容量较高，但对碳的循环稳定性较差。通过固体核磁共振（NMR）、催化试验和各种原位表征，证明了碳中的硫不仅能形成C-S-C键，还可以作为活性中心可逆地吸附/解吸钾离子以获得高容量，同时也能显著催化KPF₆和碳酸乙烯酯/碳酸二乙酯（EC/DEC）等电解质的还原和分解，形成较厚的固体电解质界面（SEI）并降解电解液，导致容量迅速衰减。因此，具有适当硫掺杂含量的优化样品（SCDP2）具有高容量（100 mA g⁻¹时为688.4 mA h g⁻¹）、长期循环稳定性（在2000 mA g⁻¹时10000次循环后比容量为198.4 mA h g⁻¹）和优异的倍率性能（5000 mA g⁻¹时为238.8 mA h g⁻¹）具有最佳的电化学性能。该研究成果以“Revealing the Double-Edged Behaviors of Heteroatom Sulfur in Carbonaceous Materials for Balancing K-Storage Capacity and Stability”为题，发表在Adv. Funct. Mater的期刊上。DOI: 10.1002/adfm.202006875。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202006875.

6、ACS Energy Lett：水性锌金属电池的储能化学

水性锌金属电池（ZMBs）被认为是大规模储能的候选材料。然而，阴极、锌阳极和电解液仍存在一些缺陷，限制了它们的实际应用。南开大学陈军院士回顾了水性ZMBs的研究进展，重点揭示了水性ZMBs的化学性质。首先，对正极材料和电化学反应进行了总结和讨论。然后，介绍了镀锌/化学剥离的基本知识，接着介绍了锌枝晶生长和析氢的原理以及相应的缓释策略。然后对电解液工程，主要考虑盐、浓度、添加剂和水凝胶电解液进行了讨论。最后，在实际应用中还存在一些问题，主要包括阴极的未定义机制和溶解，锌阳极的枝晶生长和析氢，电解质的性能和成本之间的平衡，以及全电池的测试方案。本文的综述为进一步研究和开发水基ZMBs提供了新的思路。该研究成果以“Energy Storage Chemistry in Aqueous Zinc Metal Batteries”为题发表在著名期刊ACS Energy Lett上。DOI: 10.1021/acsenergylett.0c02028。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.0c02028.

7、Adv. Mater：3D打印V₈C₇–VO₂双功能框架作为锂硫电池的有效多硫化物固定剂和锂稳定剂

锂硫电池由于其低成本、高能量密度等优点，一直受到人们的广泛关注。在这一领域，多硫化物的穿梭效应和锂枝晶的不可控制的生长极大地阻碍了它们的商业可行性。近年来，人们发现合理的方法可以同时调节多硫化物的行为和抑制锂枝晶生长。然而，高性能锂硫电池的主要障碍仍然在于对双功能材料候选材料知之甚少，以及对可定制设备的先进技术探索不足。近日，北京大学刘忠范院士和苏州大学孙靖宇教授合作提出了一种“二合一”的策略，利用三维打印技术（3DP）来制备V₈C₇-VO₂异质结构框架，作为锂硫电池的双效多硫化物固定剂和锂枝晶抑制剂。由此衍生出的3DP-V₈C₇–VO₂/S电极展示了优异的倍率性能（6.0C时为643.5 mAh g⁻¹）和良好的循环稳定性（900次循环后，在4.0 C下，每次循环的容量衰减为0.061%）。重要的是，利用两个3DP主机的集成锂硫电池可在高硫负荷下实现高面积容量（在硫负荷为9.2 mg cm⁻²时为7.36 mAh cm⁻²）。这项工作提供了解决在整个3DP中S阴极和Li阳极同时面临的挑战的见解。该研究成果以“3D Printing of a V₈C₇–VO₂ Bifunctional Scaffold as an Effective Polysulfide Immobilizer and Lithium Stabilizer for Li–S Batteries”为题发表在著名期刊Adv. Mater上。DOI: 10.1002/adma.202005967。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202005967.

8、Adv. Energy Mater：非质子Li-O₂电池纳米尺度水介导界面过程的原位观测

了解水对锂氧反应界面过程的显著影响，对锂氧电池的实际应用具有重要意义。然而，在纳米尺度上阐明水调节活性产物的生长路径和表面动力学仍处于初级阶段。近日，中科院化学研究所万立骏院士和文锐研究员利用原位原子力显微镜成功地揭示了锂氧电池中水介导阴极过程的界面演化过程。在添加剂水的调节下，随着水含量的增加，放电产物Li₂O₂的形貌由环状变为层状，后者在充电时表现出较低的分解电位和较快的动力学。此外，实时可视化显示，在DMSO基电解液中引入水可以使Li₂O₂的成核途径由表面介导转变为溶液介导，进而影响产物分布和电池性能。此外，作者还发现外加电流密度和外加水对界面行为有拮抗作用。水对Li₂O₂成核模式和演化过程的影响进行了深入研究，为进一步了解Li-O₂电池的界面反应提供了新的思路。该研究成果以“In Situ Realization of Water-Mediated Interfacial Processes at Nanoscale in Aprotic Li–O₂ Batteries”为题发表在著名期刊Adv. Energy Mater上。DOI: 10.1002/aenm.202002339。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202002339.

本文由科研百晓生供稿。

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