众院士继续为新能源领域“添砖加瓦”，且看陈立泉、钱逸泰、孙世刚在该领域的最新成果

陈立泉

在中国率先开展锂电池及相关材料研究。在国内首先研制成功锂离子电池。解决了锂离子电池规模化生产的科学技术与工程问题，实现了锂离子电池的产业化。2001年当选为中国工程院院士。

1.Advanced Energy Materials：水稳定硫化物固体电解质膜可直接应用于由超疏水锂离子导电保护层实现的全固态电池

全固态电池（ASSB）已被公认为具有高能量密度、功率密度和安全性的下一代储能技术。在实现ASSBs的所有固体电解质（SEs）中，硫化物代表了一种最有前途的技术路线，因为它们具有高离子电导率和理想的机械变形能力。然而，大多数硫化物SEs本质上是不稳定的，会与空气/水分/水发生反应，释放出有毒的H₂S，其结构完全受损，Li⁺电导率降低。这极大地限制了硫化物SEs在ASSBs中的实际应用，对生产、储存、运输、电池组装等过程中的惰性气体保护提出了极高的成本和苛刻的要求。

为了解决这个问题，本文开发了一种适用于所有类型硫化物SEs的通用方法来实现水稳定硫化物SE膜，通过喷涂Li_1.4Al_0.4Ti_1.6(PO₄)₃的Li⁺导电超疏水保护层(LATP) 纳米粒子和氟化聚硅氧烷(F-POS)通过原硅酸四乙酯和1H ,1H ,2H ,2H-全氟癸基三乙氧基硅烷分子的水解和缩合。F-POS@LATP 涂层表现出优异的超疏水性（水静态接触角>160°），以抵抗极端暴露（直接水喷射），因为它具有微/纳米级粗糙度和低表面能。此外，使用暴露于极端条件的改性Li₆PS₅Cl膜的 ASSB表现出147.3mAh g^-1的可逆容量，与使用原始硫化物膜的 ASSB相当。超疏水的Li⁺-导电层被证明是硫化物膜的有效保护方法，使它们在极端水暴露条件下保持稳定和功能，提供了一种新方法来保护所有类型的硫化物 SE 和其他空气/水分/水敏感材料，而不会牺牲电化学性能。

2.Materials Today Physics：层状结构Li₂MoO₃的阳离子无序调节电化学性能

随着电动汽车和储能系统需求的快速增长，迫切需要具有高比容量和长循环寿命的锂离子电池。具有高可逆容量和高工作电位的富锂层状氧化物及其衍生物 Li_1+xTM_1-xO₂（x > 0和TM=过渡金属）被强烈认为是有前途的锂离子正极材料电池。然而，初始循环库仑效率低，循环过程中容量和放电电位不断下降，倍率能力差等一系列问题，必须在这些材料的商业应用之前得到很好的解决。

在此，选择Li₂MoO₃作为富锂层状材料的原型，以了解阳离子无序对脱锂的影响。在密度泛函理论(DFT) 计算和性能表征的基础上，阐明了Li₂MoO₃的局部无序结构调节从不同位点提取锂的顺序，这会影响材料的性质，如容量、电荷补偿和导电性。这些发现为理解锂离子电池富锂层状氧化物的性能衰减和结构设计提供了深刻的见解。

3.Advanced Functional Materials：硫化物固体电解质和无枝晶液态锂阳极实现高电流密度和长循环寿命

锂金属是理想的阳极候选物，但面临着巨大的挑战，包括液体有机电解质中的热力学稳定性差以及连续电镀/剥离过程中的枝晶成核/生长。

为了解决上面列出的困难，这里提出了一种结合液体锂溶液阳极、硫化物固体电解质和界面保护层的电池配置，以防止两种组分之间发生界面反应。这种配置结合了液体-锂-溶液阳极（溶解锂以基本上防止锂成核）和硫化物固体电解质（所有固体电解质中最高的室温离子电导率和理想的机械延展性，只需冷压即可实现完全致密层）的优点，因此创纪录的高电流密度（17.78 mA cm^-2 ) 和长循环寿命（近 3000小时）。同时，系统地研究了锂金属在液态锂负极中的溶解度和液态锂负极的电化学性能，以找到室温电导率最高（12.2 mS cm^-1）的最合适的液态锂负极浓度。这项工作为实现高比容量、高能量/功率密度和长循环寿命的二次电池提供了一种有前景的方法和电池配置。

钱逸泰

无机化学家。主要从事主要从事纳米材料化学制备和超导材料制备方面的研究。1997年当选为中国科学院院士。

4.Journal of Energy Chemistry：用于钠离子电池先进负极的氮氟共掺杂二氧化钛/碳微球：高体积容量、优异的功率密度和大面积容量

快速充电和高容量是钠离子电池 (SIB) 的两个关键需求。尽管纳米结构材料具有出色的倍率性能，但它们的振实密度低和体积容量小。因此，如何同时实现大体积容量和高振实密度是非常具有挑战性的。

在这里，合成了N/F共掺杂的TiO₂ /碳微球（NF-TiO₂ /C）以实现大体积容量和高振实密度。理论计算表明，N和F共掺杂增加了氧空位的含量，缩小了TiO₂和C的带隙，提高了NF-TiO₂ /C的电子电导率。此外，NF-TiO₂/C表现出Na⁺的高结合能和低扩散能垒，显着促进Na⁺存储和Na⁺扩散。因此，NF-TiO₂ /C具有高振实密度（1.51 g cm^-3）、出色的倍率性能（100 C下，~125.9 mAh g ^-1 ）、大体积容量（在100C下，~190 mAh cm^-3)，同时具有高面积容量（~4.8 mAh cm^-2）和超长循环性能（10C下 10,000 次循环后~80.2%）。此外，NF-TiO₂ /C||Na₃ V₂ (PO₄ )₃全电池实现了25.2 kW kg^-1的超高功率密度。这些结果表明NF-TiO₂/C 作为SIBs的高体积容量和高功率密度负极材料的巨大前景。

5.Advanced Energy Materials：用于高效储钾、富氮碳双限制 CoP 复合材料的零应变结构

后锂离子电池 (LIB) 的发展有望通过减少日益减少的锂资源的使用来应对可持续的资源挑战。与此相一致，由于钾资源储量丰富，价格诱人，K⁺/K(-2.93 V)的氧化还原电位可与Li⁺/Li (-3.04 V)相媲美，钾离子电池(PIB)有望以低成本获得相当好的输出电压和能量密度。尽管如此，电化学循环过程中导致结构坍塌的严重体积变化和电极反应动力学缓慢仍然是显着的挑战，需要付出巨大努力来改善K⁺反应动力学和结构稳健性，以进一步增强电极材料的钾存储能力。

在此，通过自模板催化精确合成了一种新型负极材料，其中包覆有N掺杂碳的小尺寸CoP纳米粒子固定在一维氮掺杂碳框架（CoP@NC⊂NCFs）中。分级结构具有多种结构优势，包括更多的活性位点和由富氮提供的超高电导率、CoP与N掺杂碳之间的强界面相互作用以及结构的稳定性。结果，通过恒电流间歇滴定和密度函数理论计算，实现了快速的钾离子反应动力学和CoP对钾离子的强吸附。此外，通过先进的原位表征技术，阐明了CoP与钾离子的固溶反应机理。在 0.1 A g^-1下循环1200次，容量≈206mah g⁻¹，实现 0.01%的超低衰减率。相应的K离子全电池也按预期制备，并显示出稳定的容量保持率。

6.Small：用于高稳定性钾离子电池的硒化钨@N掺杂碳纳米管的合理设计

钾离子电池（PIB）由于其高能量密度和低成本被认为是最有前途的储能系统之一。然而，由于合适的电极材料有限，它们的商业应用远不能令人满意。

在此，首次通过对WO₃@聚吡咯进行硒化，合理设计和合成了核壳结构的WSe₂@N掺杂碳纳米管。WSe₂的大层间距可以促进K⁺的嵌入/脱嵌。同时，核壳结构的纳米管提供了有利的内部空隙空间以适应WSe₂的体积膨胀骑车时。因此，所获得的电极表现出优异的电化学性能，在120次循环后在100 mA g^-1下具有301.7 mAh g^-1的高容量，并且即使在1300次循环后，在500 mA g^-1下仍可保持122.1mAh g^-1。异位X射线衍射分析揭示了WSe₂ @N掺杂C的K离子存储机制，包括嵌入和转化反应。密度函数理论(DFT)计算证明了K⁺的合理扩散路径。另外，得到的WSe²@N掺杂的碳纳米管已被用作锂离子电池的负极材料，其也表现出良好的倍率性能和高循环稳定性。因此，这项工作为具有长循环稳定性的新型结构电极材料的配比设计提供了一种新方法。

孙世刚

物理化学家，长期从事电化学和表界面科学研究。2015年当选为中国科学院院士。

7.Electrochimica Acta：通过增加密度和改变Fe-N_X活性位点的电子结构来提高Fe-N/C催化剂的ORR性能

化石能源危机的到来，使得开发清洁、可持续的能源迫在眉睫。燃料电池作为一种能够将燃料的化学能转化为电能的新型能源装置，以其理论效率高、模块化、无有毒气体、无噪声排放等优点而受到广泛关注。氧还原反应（ORR）是燃料电池关键的半反应，其反应动力学缓慢导致的高过电位大大降低了燃料电池运行过程中的实际输出功率。铂族金属（PGM）是最广泛使用的ORR催化剂，但其高昂的价格和稀缺的来源严重限制了燃料电池的商业化。因此，开发不含铂族金属作为替代品的ORR催化剂具有重要的研究价值。

由于高活性 Fe-N_X配位部分的存在，铁氮/碳(Fe-N/C)材料被认为是氧还原反应(ORR)的潜在电催化剂。增加Fe-N_X位点的密度被认为是提高Fe-N/C催化剂ORR性能的有用策略。在此，报道了一种分步合成策略，以构建具有高比例介孔和高浓度可达Fe-N_X活性位点的Fe-N/C催化剂。综合成分和形貌特征，合成的Fe-N/C meso-evap催化剂具有较好的ORR活性，在0.1 M HClO4中，0.8 V时半电位为0.835 V，动力学电流密度为31.02 mA cm²。这项工作为设计面向ORR的单原子催化剂提供了新的思路。

8.ACS Applied Materials & Interfaces：一种温和的CO₂蚀刻方法来定制质子交换膜燃料电池中无铂氧还原催化剂的孔结构

孔的结构调整对于用于质子交换膜燃料电池中氧还原反应(ORR)的高性能Fe/N/C电催化剂至关重要。当前的孔结构工程策略通常伴随着与内在活性相关的表面的剧烈变化，这可能掩盖了多孔结构对ORR活性的真实影响。

在此，采用温和的二氧化碳(CO₂)蚀刻方法灵活调整Fe/N/C电催化剂的孔结构，而不会对其表面结构和性能产生剧烈变化。通过这种方式，通过使用Fe/N/C电催化剂作为模型，揭示了孔结构对ORR活性的内在影响。此外，CO₂蚀刻方法开发了一种高质量的电催化剂（样品Fe/N/C–5% CO₂），其极化性能在燃料电池工作电压范围内（> 0.65 V）超过了商用Pt/C催化剂。这项工作将促进对Fe/N/C电催化剂中孔结构合理设计的深入研究。

9.Energy Storage Materials：具有内部离子电导/外部电子绝缘混合结构的异质SEI膜实现高循环性和高电压锂金属电池

在SEI膜中建立电子阻碍/离子转移通路是高性能锂金属负极(LMA)的关键问题，这需要具有高离子电导率的SEI以实现快速的Li⁺扩散和调节的锂沉积行为，以及较差的电子电导率以阻止电解质消耗。

在此，提出了一种策略，通过选择性还原电解质组分来构建异质 SEI，以提高锂的稳定性并抑制枝晶生长。SEI膜的内部富N子层能够实现结节状锂沉积的快速Lⁱ⁺传输，而SEI膜的外部富C子层具有电子绝缘性能阻止电解质分解。这种混合SEI赋予LMA高库仑效率 (99.0%)、长寿命和枝晶抑制。理论计算、XPS和AFM被用来检查异质SEI结构并阐明其形成机制。在超薄锂阳极(25μm)、低N/P比(1.67)的LiCoO₂/Li袋电池中，在0.5 C条件下循环160次后，电池的容量保持率为91.6%；在较高的充电电位(4.5 V)下循环300次后，电池的容量保持率为85.7%。对异质SEI形成的洞察为实现高性能锂金属电池的合理电子/离子转移途径构建提供了新的机会。

1.Xu J, Li Y, Lu P, et al. Water‐Stable Sulfide Solid Electrolyte Membranes Directly Applicable in All‐Solid‐State Batteries Enabled by Superhydrophobic Li⁺‐Conducting Protection Layer. Advanced Energy Materials. 2021.

2.Liu Z, Zhang C, Tian M, et al. Cationic disordering modulated electrochemical performances of layer-structured Li2MoO3. Materials Today Physics. 2021;21.

3.Peng J, Wu D, Song F, et al. High Current Density and Long Cycle Life Enabled by Sulfide Solid Electrolyte and Dendrite‐Free Liquid Lithium Anode. Advanced Functional Materials. 2021.

4.Lv D, Wang D, Wang N, et al. Nitrogen and fluorine co-doped TiO2/carbon microspheres for advanced anodes in sodium-ion batteries: High volumetric capacity, superior power density and large areal capacity. Journal of Energy Chemistry. 2022;68:104-112.

5.Yun Y, Xi B, Tian F, et al. Zero‐Strain Structure for Efficient Potassium Storage Nitrogen‐Enriched Carbon Dual‐Confinement CoP Composite. Advanced Energy Materials. 2021.

6.Chen X, Muheiyati H, Sun X, et al. Rational Design of Tungsten Selenide @ N-Doped Carbon Nanotube for High-Stable Potassium-Ion Batteries. Small. Nov 25 2021:e2104363.

7.Qu X, Li Y, Li G, et al. Boosting the ORR performance of Fe-N/C catalyst via increasing the density and modifying the electronic structure of Fe-NX active sites. Electrochimica Acta. 2022;403.

8.Wan L, Chen W, Xu H, et al. A Mild CO2 Etching Method To Tailor the Pore Structure of Platinum-Free Oxygen Reduction Catalysts in Proton Exchange Membrane Fuel Cells. ACS Appl Mater Interfaces. Sep 29 2021;13(38):45661-45669.

9.Zhang S-J, Yin Z-W, Wu Z-Y, et al. Achievement of high-cyclability and high-voltage Li-metal batteries by heterogeneous SEI film with internal ionic conductivity/external electronic insulativity hybrid structure. Energy Storage Materials. 2021;40:337-346.