這裡是能源領域新興前沿第2期。在本期中，編輯部一共收集了22篇文章，其中10篇文章涉及鋰金屬與電解質界面方面的研究，全固態鋰金屬電池是電池領域近年來的研究熱點，此外新型電池金屬-空氣電池，水系鋅離子電池也在迅速崛起。

以下內容，敬請指正。

一、鋰/鈉/鋅離子電池

1. AFM: 自下而上合成先進含硫碳基負極材料助力鈉離子電池

含硫碳基負極材料在鈉離子電池中表現出優異的電化學性能和可實用化潛力。近日，以色列內蓋夫本-古裡安大學的Menny Shalom 和以色列理工學院的Yair Ein-Eli等通過簡單且易於擴展的方法制備了含硫物種高度均勻的碳基材料並對其儲鈉性能進行了研究。

本文要點：

1) 研究人員採用了基於熔融態中間體的一種全新合成策略。在該方法中含硫單體在高溫下處於熔融狀態因此在最終材料中能夠實現高度均勻的分散以及較高的反應活性。這樣製備出的含硫碳基材料中的硫物種存在形式、含量以及分佈狀況都是可控的，因而更有利於研究上述因素對碳材料本體結構、電子性質以及電化學性能的影響。

2) 當用作鈉離子電池負極材料時，這種含硫碳基材料在0.1A/g的電流密度下能夠達到高達500mAh/g的儲鈉容量，這說明其電化學反應活性得到了顯著改善。在長期循環過程中。含硫碳基負極材料的電化學反應可逆性較高因而循環壽命也令人滿意。

3) 從電化學反應機理上來說，研究人員利用循環伏安方法證實不同含硫物種體現出的氧化還原活性不盡相同。與常規碳材料不同，這種含硫碳基材料在首周充電過程中不存在明顯的SEI膜形成過程，這是因為Na+優先嵌入材料表面的缺陷處對整個材料實現了原位修飾改性。

JonathanTzadikov，Bottom-Up Synthesis of Advanced CarbonaceousAnode Materials Containing Sulfur for Na-Ion Batteries， AdvancedFunctional Materials, 2020

DOI:10.1002/adfm.202000592

2. AFM：面向永久性Li-S電池的柔性導電支架的通用電極設計

儘管在開發高效硫正極極和鋰金屬負極方面已取得了一定進展，但為高性能Li-S電池建立低成本，高效LiPS阻擋層和鋰枝晶生長抑制劑仍是一項挑戰。基於以上，河北工業大學梁春永，Yongguang Zhang及Guihua Liu團隊報道了一種可同時用於硫正極和鋰金屬負極的通用柔性電極，並展示了其在可穿戴和便攜式存儲電子設備中的應用。柔性電極由具有多個Co/Ni-N活性位點（CoNi@PNCFs）的雙金屬CoNi納米粒子嵌入式多孔導電支架組成。

文章要點：

1）實驗和理論分析均表明，當用作正極時，植入多孔CoNi@PNCFs上的CoNi和Co/Ni-N活性位點可通過促進化學固定化為可溶性多硫化鋰並將其快速轉化為不溶性Li2S，因此有效地減輕了多硫化物的穿梭效應。此外，由多孔碳質骨架和多個活性中心構成的3D基質成功誘導了均勻的Li生長，從而實現了無枝晶的Li金屬負極。

2）組裝有S/CoNi@PNCFs正極和Li/CoNi@PNCFs負極的Li-S電池在785C g-1時具有較高的可逆比容量，在5 C時表現出長循環性能（1500次循環時，容量衰減率僅為0.016％） 。

He,Y., et al, All‐Purpose Electrode Design of Flexible ConductiveScaffold toward High‐Permanence Li–S Batteries. Adv. Funct. Mater. 2020,

DOI：10.1002/adfm.202000613

3. Adv. Sci.: 硫正極的孔結構調控保證貧電解液鋰硫電池的高性能

同濟大學Li Sa課題組和麻省理工學院Li Ju課題組構造出具有獨特孔結構的硫正極，其特殊的孔結構保證了電池在貧電解液體系下依舊具有較高的比容量和能量密度。這一研究解釋了電極自身孔道結構對鋰硫電池性能的影響，併為鋰硫電池的實用化做出了貢獻。

本文要點：

1) 正極選材為商業化硫（S）及科琴黑（KB），無其他導電介質添加；

2) 作者使用冷凍乾燥的方法制備硫碳正極（FDS-C），構造獨特的孔結構，並將其性能與普通加熱乾燥的正極（TDS）做對比；

3) FDS-C具有連通的大孔道和毛細孔，而TDS則具有許多封閉的孔道。極片孔道結構的區別導致FDS-C對電解液的浸潤性和儲存電解液的能力均優於TDS；

4) 當硫的面載量提高至14.2 mg cm-2，E/S=7μL mg-1時，電池具有16 mAh cm−2左右的穩定面積比容量。這一數值是普通鋰電池的4-5倍；

5) 在安時級的軟包電池中，將E/S比降低至約1.2μL mg-1時，電池具有481Wh kg-1的能量密度；

YongXie et al., Semi-Flooded Sulfur Cathode with UltraleanAbsorbed Electrolyte in Li–S Battery, Adv. Sci., 2020.

DOI:10.1002/advs.201903168

4. AEM：揭示鋰過量的過渡金屬氧化物的快速氧化還原行為，以實現高倍率性能

鋰過量的過渡金屬層狀氧化物是高能量密度正極材料中有望解決電動汽車裡程焦慮的候選材料。但是，它們較低的倍率性能阻礙了實際應用，同時人們對高倍率氧化還原反應和遷移行為也缺乏瞭解，這使得設計高倍率能力的鋰過量材料變得極其困難。為了應對這一挑戰，韓國蔚山科學技術院Jaephil Cho和韓國浦項加速器實驗室Min Gyu Kim等人通過使用X射線吸收光譜法（XAS）觀察了陽離子有序和陽離子無序的材料，深入研究了快速充放電中主要的原子行為特徵。

本文要點：

1） 通過結合深入的電化學分析和XAS分析，發現TM/O氧化還原反應的優勢和TM-O雜化的均勻性取決於以氧為中心的八面體的原子排列狀況。

2） 在30％的DoD區域（放電<3.5 V）中存在明顯差異，在該區域中，陽離子控制的材料由於占主導地位的O-還原反應而實現了高容量，但電阻較高，鋰離子擴散性較差。

3） 隨著倍率的增加，在30％的DoD區域中容量下降，這是由於表面和本體中不均勻的氧化還原反應以及O-氧化還原反應的動力學緩慢所致。

4） 使用原位快速掃描XAS直接觀察在3 C的電化學循環過程中每個元素的化學狀態和局部配位的變化，發現具有優異倍率性能的材料由於其可逆遷移和Ni和Co的氧化還原行為而促進了Li離子的擴散。

WooyoungJin, et al. Unraveling the Rapid Redox Behavior of Li‐Excess 3d‐Transition Metal Oxides for HighRate Capability, Adv.Energy Mater. 2020

DOI:10.1002/aenm.201904092

5. ACS Energy Letters: 反其道而行之！超低濃鈉離子電池電解液

電解液在儲能器件中是不可或缺的，調控電解液濃度能夠實現電池功能設計的關鍵策略。對於鈉離子電池電解液來說，由於Na+的斯托克斯半徑和脫溶劑能量比Li+都要低，因此理論上採用較低的鈉離子濃度就可以實現相同的動力學性能。有鑑於此，中科院物理所的胡勇勝研究員與陸雅翔副研究員報道了一種濃度只有0.3M的超低濃鈉離子電解液並對其在鈉離子全電池中的性能進行了檢測。

本文要點：

1) 研究人員以NaPF6為電解質鹽以碳酸乙烯酯（EC）和碳酸丙烯酯(PC)為溶劑配製了一系列不同濃度的電解液然後對其物化性質進行了測試。離子電導率與濃度呈向下拋物線關係，即濃度越高，電導率增長速度越慢，這是受離子載體數和遷移率的影響。在較低溫度下，離子電導率隨濃度的增加而變化較小。粘度隨濃度的增加呈向上拋物線狀增長，在較低溫度下變化較大。

2) 研究人員對比了不同濃度的電解液對無序碳負極-層狀O3型NaCu1/9Ni2/9Fe1/3Mn1/3O2鈉離子全電池電化學性能的影響。結果表明0.3M的超低濃電解液在中等倍率下能夠實現119mAh/g的比容量。雖然1M 的電解液能夠實現121mAh/g的比容量，但是其庫倫效率（98-99%）低於低濃體系（99.9%）。

3) 研究人員對低濃電解液在低溫下的性能進行了考察來評估其動力學特徵。結果表明低濃電解液在低溫下能夠使電池更好地化成，其低溫下的低粘度還使得電解液對於高載量正極的浸潤性得到了改善。在-30℃的低溫下該電解液能夠實現110mAh/g的可逆容量。

YuqiLi et al, Ultralow-Concentration Electrolyte for Na-Ion Batteries, ACS EnergyLetters, 2020

DOI: 10.1021/acsenergylett.0c00337

6. Nano Letters: 堅固層狀釩酸鋇抑制釩溶解實現快速鋅離子存儲

具有開放框架結構的含釩化合物由於具有較高的比容量因而成為當今水溶液鋅離子電池正極材料的寵兒。然而，正極材料中釩溶解以及放電副產物的形成會造成嚴重的容量衰減以及循環性能不佳。有鑑於此，山東大學的熊勝林與奚寶娟製備了具有高效儲鋅能力的釩酸鋇材料解決了釩的溶解問題。

本文要點：

1) 研究人員利用簡單的水熱法通過精確調控含鋇前驅體的含量可控地製備了兩種不同結構的釩酸鋇納米帶，即V3O8型的Ba1.2V6O16·3H2O、BaV6O16·3H2O 和V2O5型的 BaxV2O5·nH2O。這兩種釩酸鋇材料都能實現優異的儲鋅能力但是性能上卻存在一定差異。

2) 研究人員發現，Ba1.2V6O16·3H2O的倍率性能十分優異，在10C的高倍率下可逆容量高達108.8mAh/g，循環2000周後的容量保持率高達95.6%。快速地離子脫嵌動力學和優異的循環穩定性都源自於堅固的結構特徵。

3) 研究人員利用非原位XRD、FT-IR以及XPS等手段對上述材料的電化學反應機制進行了研究：證明在釩酸鋇材料發生電化學脫嵌Zn2+的過程中會發生水分子的共嵌入。

XiaoWang et al, Boosting Zinc-Ion Storage Capability by Effectively SuppressingVanadium Dissolution Based on Robust Layered Barium Vanadate, Nano Letters,2020

DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c00732

二、鋅/鋰金屬負極

7. Nature Energy: 分離電解質助力穩定高比能可充水溶液Zn-MnO2電池

水溶液儲能體系由於避免使用可燃的有機電解液而具有本徵的安全性。不過，水溶液電池系統常常電壓較低，這就使得其在能量密度的競爭中不佔優勢。最近，天津大學胡文彬教授與鍾澄教授團隊通過去耦電解質策略成功地提高了水溶液可充Zn-MnO2全電池的電壓並對其實用性進行了考察。

本文要點：

1） 該工作的設計思路是將MnO2正極與金屬Zn負極分離開以保證正極能夠在酸性條件下、負極能夠在鹼性條件下在各自單獨的半電池中進行工作。具體操作就是把酸性電解質和鹼性電解質放在兩個不同的艙中，中間用中性電解質隔開以免發生酸鹼中和反應。中性電解質的兩側都使用具有離子選擇性的薄膜封裝來防止電解液的直接接觸。

2） 這種簡單卻高效的電解質分離策略使得水溶液Zn-MnO2電池達到了極高的開路電壓—2.83V，基於MnO2質量計算的能量密度高達1621.7Wh/kg。這種分離式電池的循環穩定性也十分令人滿意，深度循環200小時（對應循環週數為116周）後容量衰減只有2%。

3）該工作最讓人矚目的地方在於研究人員將放大化的分離式Zn-MnO2電池與風能和光伏太陽能採集體系集成在一起讓其作為一個獨立的封閉能量體系來為發光二極管供能。該電池的容量高達3.33Ah，歸一化整體電池質量後計算所得能量密度為90Wh/kg。這是目前商品化的鉛酸電池的能量密度近乎三倍。

ChengZhong et al, Decoupling electrolytes towards stable and high-energyrechargeable aqueous zinc–manganese dioxide batteries,Nature Energy, 2020

DOI: 10.1038/s41560-020-0584-y

8. AFM：具有篩分功能的均勻多孔高嶺土層可穩定鋅金屬負極

鋅金屬由於其高的比容量，儲量豐富和安全性，被認為是可充電水性Zn基電池的最佳負極選擇之一。然而，鋅枝晶和腐蝕問題仍然是可充電水性Zn基電池大規模應用面臨的最主要的挑戰。基於此，中南大學周江等人設計了具有篩分功能（Zn2+的選擇通道）和均勻孔分佈（≈3.0nm）的高嶺土包覆的鋅負極（KL-Zn）的KL-Zn負極/電解質界面，不僅可確保無枝晶沉積和長期穩定性（在1.1 mA h cm -2時為800 h ），而且還可以抑制副反應。這項工作為高性能的可充電鋅基電池系統的實際應用邁出了堅實的一步。

文章要點：

1）高嶺土充當具有篩子功能特性的均勻多孔塗層，KL-Zn在對稱電池和實際的全電池結構中均表現出較高的自/電化學腐蝕抗性和枝晶抑制性能，這是由於該層通道中有限的Zn2+遷移以及存在大量的吸附位點，例如O-H和的Si-O鍵，其可吸收Zn2+，然後引導其沉積過程。

2）藉助XPS，TEM和FTIR測試表明，發生在高嶺土塗層中的轉移主要是Zn2+而不是Mn2+的轉移。更重要的是，KL‐Zn / MnO2電池在循環後顯示出優異的循環穩定性，速率性能以及良好的形態。

CanbinDeng, et al, A Sieve-Functional and Uniform-Porous Kaolin Layer

towardStable Zinc Metal Anode Adv. Funct. Mater. 2020,

DOI:10.1002/adfm.202000599

9. Chem. Soc. Rev.：下一代可充鋰金屬電池和鋰離子電池的發展趨勢和研究策略

隨著燃油資源的日漸緊張和環境汙染的日趨嚴重，發展高效能源轉換與存儲技術至關重要。與傳統的鉛酸、鎳-鐵和鎳-氫等電池相比，先進的鋰離子電池是當前最具前途的電化學儲能裝置。目前，鋰離子電池已經成功商業化，並廣泛應用到我們的日常生活中。然而，商用鋰離子電池成本高、存在環境問題和安全隱患，且商業化正負極材料比容量低，限制了商業化鋰離子電池能量密度的進一步提高。因此，發展具有高能量密度、高安全性、低成本和長循環壽命的下一代可充電電池具有重要的戰略意義。

近日，中南大學吳飛翔教授（第一作者）、中國科學技術大學餘彥教授（通訊作者）系統概述了下一代可充鋰金屬電池和鋰離子電池的活性材料選擇，材料結構設計，電解液改性等方面的發展趨勢和對應的指導方針。

本文要點：

1）根據不同的結構和性質等特點，作者對幾大類代表性的電極活性材料（高電壓正極、金屬鹵化物正極、氧族元素類正極及大容量負極材料）進行了系統介紹和比較，並對多種電池體系實際可達到的能量密度作了實用化的估算。

2） 在此基礎上，深刻討論了用於下一代鋰金屬電池和鋰離子電池（高電壓正極、金屬氟基正極、鋰硫/氧電池、高容量硅負極及鋰金屬負極）所面臨的艱鉅挑戰，並重點介紹了這些電池體系材料在製備合成、結構調控等方面的研究進展。

3） 同時，為實現下一代高能量密可充電電池這一目標，針對高電壓正極、金屬氟基電極、氧族元素基電極、鋰金屬負極、高容量負極以及功能性電解液所面臨的科學難題，作者詳細討論了相應的指導方針，為實現各類電池體系的高能量密度特性和發展下一代可充鋰金屬電池和鋰離子電池提供了參考。

Feixiang Wu*, Joachim Maier, and Yan Yu*. Guidelines andtrends for next-generation rechargeable lithium and lithium-ionbatteries. ChemicalSociety Reviews 2020, 49, 1569-1614.

DOI：10.1039/C7CS00863E

10. AEM: 選擇性浸潤的剛柔並濟聚合物電解質助力高壓長效鋰金屬電池

固態聚合物電解質被視作解決液態高壓鋰金屬電池安全風險和循環不佳的有效策略。不過，固態聚合物電解質自身也面臨著離子電導率低、界面接觸差等問題。有鑑於此，中科院青島能源所的崔光磊研究員與馬君副研究員等利用四亞甲基碸(TMS)的選擇性浸潤製備了一種基於聚偏二氟乙烯-聚醋酸乙烯酯（PVDF-PVAC）的剛柔並濟聚合物電解質。

本文要點：

1）研究人員利用痕量（5uL/cm2）的TMS選擇性浸潤由PVDF-PVAC和Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12 (LLZTO)組成的固態電解質體系。整個聚合物電解質體系中，剛性的PVDF/LLZTO能夠保持完整的機械強度而柔性的PVAC/TMS則具有高離子電導率和較寬的電化學穩定窗口。

2) 研究人員之所以選擇TMS作為浸潤劑是因為TMS具有低可燃性、高粘度，以及在多種正極材料中都能保持良好的陽極穩定性，因此TMS不僅可以降低電池燃燒起火的風險還能夠協助構建穩定的電極-電解質界面。更重要的是，TMS與PVDF和PVAC之間的分子間相互作用存在很大的差異，因此只能選擇性地與PVAC產生相互作用從而有助於離子電導與界面相容性的提高。

3) 研究人員組裝了4.5V級的高壓LiCoO2//Li金屬全電池來對該固態電解質的實際可行性進行評估。室溫下在3-4.5V的充放電區間內該全電池循環200周後的容量保持率仍然高達85%。軟包全電池的安全性測試也說明該聚合物電解質具有很高的熱穩定性和安全性。

XinrunYu et al, Selectively Wetted Rigid–Flexible Coupling PolymerElectrolyte Enabling Superior Stability and Compatibility of High‐Voltage Lithium Metal Batteries, Advanced Energy Materials, 2020

DOI：10.1002/aenm.201903939

11. ACS Energy Letters：用冷凍掃描電子顯微鏡研究SEI中氟化物相在納米和介觀尺度上的非均質性

鋰電池的穩定性與固體電解質中間相（SEI）不僅在動力學上防止溶劑分子進一步還原來穩定負極/電解質界面，而且還能調節鋰離子從電解質到負極的轉移。與此同時，SEI也是造成封閉電池裝置中不可逆容量損失以至於鋰離子電池容量損失的主要原因。因此對SEI特性和結構的深入瞭解對於提高鋰電池的能量密度和可循環性至關重要。由於難以表徵這種敏感的中間相，因此對SEI組分的納米級分佈瞭解甚少。

近日，斯坦福大學崔屹教授等人利用冷凍掃描TEM（cryo-STEM）和電子能量損失譜（EELS）來識別LiF在金屬鋰負極上的SEI中的位置。通過分析電池負極的活動和非活動表面，解決了XPS等大面積表面表徵與cryo-TEM等原子尺度表徵之間的差異。研究表明LiF不會對負極鈍化起主要作用，也不會影響Li+在整個SEI上的傳輸。

文章要點：

1）使用cryo-（S）TEM，研究人員研究了Li金屬的SEI物相（如LiF和Li2O）的空間分佈。通過XPS測量了氟化電解質體系的SEI中LiF的含量，但研究人員採用cryo-HRTEM結合cryo-STEM EELS手段發現與負極極材料相接觸的緊湊SEI不含LiF，相反，由於其在電解質中的溶解度低，緻密的SEI可以調節Li+從Li金屬中的溶解，因此富含Li2O。

2）由於LiF在電解質中的適度溶解性，LiF沉澱為直徑大於100 nm的大納米顆粒，並富含氧氣和Li2O，因此LiF可以作為間接SEI沉積在任何導電錶面（包括集電器）上，並且稀疏地沉積在Li金屬上。集電器上LiF沉積物的存在可能在一定程度上有助於Li鍍層的均勻性。但是，它們沒有併入緊湊型SEI中，並且在Li金屬的鈍化或Li+通過SEI的傳輸中沒有發揮重要作用。因此，LiF在SEI中的作用比通常認為的更為細微。這表明，氟化添加劑（例如FEC）對SEI的有益作用可能是由於它們在負極迅速脫氟並隨後發生聚合反應，而不是僅由LiF的產生引起的。

3）作者定義了一個新的SEI長度標度，該標度可延伸到緻密SEI之外。

Huang,William, et al, Resolving Nanoscopic and Mesoscopic Heterogeneity ofFluorinated Species in Battery Solid-Electrolyte Interphases by CryogenicElectron Microscopy, ACS Energy Lett., 2020

DOI:10.1021/acsenergylett.0c00194

12. ACS Energy Letters: 優良共晶中間層助力高性能固態LiF轉化電池

石榴石型Li-La-Zr-O固態電解質由於能夠與金屬鋰負極在界面上形成鈍化層而會導致鋰枝晶生長和界面阻抗增大等問題。最近，

本文要點：

1) 研究人員通過對金屬Na和金屬Li進行合金化製備了一種Na-Li合金共晶中間層。中間層中Na的比例可以是任意的，這就避免的繁瑣的精準合金化計量比的麻煩。常見的合金化層中常常會含有未合金化的殘留物，而Na-Li合金中即便在納米尺度上也存在著兩相晶區的均勻分佈。

2) 在未經納米技術（如磁控濺射和原子層沉積等）預處理的前提下，該Na-Li合金界面層對於LLZO固態電解質和金屬鋰都表現出良好的界面潤溼性。這是因為共晶中間層促進二者之間形成了導電性良好的界面，實現了缺陷的高效癒合和極低的阻抗。這種牢固的界面接觸使得金屬鋰負極能夠在極小的過電勢下穩定循環超過3500小時。

3) 使用這種Na-Li中間層的固態Li//LLZO//LiFePO4全電池在0.4mA/cm2的倍率下的容量可達116mAh/g且庫倫效率較高。此外，研究人員還首次進行了FeF3-石榴石型固態電解質全電池的嘗試：在Na-Li中間層的協助下該電池可逆容量高達500mAh/g且能夠在0.1mA/cm2的電流密度下穩定循環超過300周。

YangZhang et al, Garnet-Based Solid-State Lithium Fluoride Conversion BatteriesBenefiting from Eutectic Interlayer of Superior Wettability, ACS EnergyLetters, 2020

DOI: 10.1021/acsenergylett.0c00383

13. Nano Letters：具有改善電池容量保持率和抑制鋰枝晶的層間校準薄鋰金屬電極

與標準氫電極相比，理論比容量為3860 mAhg-1，-3.04 V低電勢的鋰金屬被認為是可以滿足高能量密度需求的最有希望負極材料之一。然而，由於SEI的可逆消耗一般都需要過量的鋰金屬，因此不可避免地增加了電池總重量以及由於短路造成的安全性隱患。因此，開發具有薄鋰，同時保持可靠的鍍覆和剝離和出色抑制鋰枝晶生長的下一代鋰離子電池（LIB）變得至關重要。

近日，威斯康星大學密爾沃基分校牛俊傑教授等人將層間校準的2D Ti3C2Tx MXene疊層使塗覆在Li主體上，成功設計出一種Li金屬薄電極，該電極具有高度可逆的鍍鋰/剝離和鋰枝晶抑制等特點。同時，測試了其作為負極材料與NMC或NCA正極材料配對組裝的全芯電池，顯示出容量保持率大大提高。

文章要點：

1）通過酸蝕工藝從層狀三元碳化物Ti3AlC2相中提取Al元素來製備非分層的Ti3C2Tx MXene疊層。通過SEM，TEM等測試表明，除去Al後，其層狀結構保持完整。隨後將未經進一步剝落和處理的原樣MXene疊層通過無粘合劑/無添加劑的過程壓在銅箔上，以達到所設計的厚度，類似地，可以獲得薄至30μm的Li薄片。最後，通過施加力將倒置堆疊的MXene轉移到Li薄片主體上。採用可控的過程分別在300和30μm的Li主體上獲得具有相對光滑表面的MXene層，獲得了設計厚度為30μm和15μm的MXene堆疊電極。未分層的MXene堆層是隨機分散的。每個疊層堆都顯示出足夠的層間間距，從而提供了足夠的空間來存儲鋰。

2）在10 mA cm-2的大電流密度下，可以實現高度可靠的鍍鋰/剝離。同時，具有出色電導率和較大可用空間的2D疊層可以最大程度地降低局部電流密度並調節Li的生長，從而導致Li的均勻沉積/提取，減少了富含無機物的SEI形成。同時，來自中間層的2D限制效應進一步抑制了鋰枝晶的生長。

3）具有ILC-Li電極的對稱電池和全電池在高充電/放電速率和長循環時均顯示出高容量保持率。同時，由NCA與低N/P比配對的全電池電池顯示的能量密度高達366.6 Wh/Kg。

Chen,Xi, et al, Inter-layer-calated thin Li metal electrode with improved batterycapacity retention and dendrite suppression, Nano Lett., 2020

DOI:10.1021/acs.nanolett.0c00201

14. Nano Letters: 多孔CuZn合金中親鋰性Zn位點誘導均勻無枝晶鋰沉積

三維親鋰性載體是調控鋰枝晶與抑制體積膨脹最有效的方式。不過當前的三維親鋰性載體面臨著在使用熱灌注技術時容易熔化或脫落的挑戰。最近，中科大的存儲與轉換教授與南科大鄧永紅教授共同報道了一種可以正常使用高溫熱灌注技術進行預儲鋰的親鋰性三維集流體。

本文要點：

1）研究人員通過簡單的去合金化反應制備了一種富含親鋰性Zn位點的三維多孔CuZn合金儲鋰載體。在組裝電池前該儲鋰載體能夠通過熱灌注技術將熔融態的金屬鋰注入形成具有三維結構的鋰負極。這種方法與其他三維親鋰載體最大的不同就是其親鋰性的Zn位點是本身就存在於整個三維結構中的，而不是通過包覆方法包在框架表面，因此就可以直接放在熔融的高溫環境中而不會脫落失效。

2）這種三維多孔CuZn合金載體不僅能夠在重複的鋰沉積-剝離過程中分散成核位點誘導均勻鋰沉積，而且能夠為沉積過程中金屬鋰的儲存提供足夠的內部空間。這實際上是通過降低電流密度來抑制枝晶生長並緩解體積膨脹。

3）研究人員將Li/CuZn複合負極與LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2正極匹配組裝了全電池來考察這種合金化親鋰載體的實用潛力。Li/CuZn-NCM811全電池在0.2C的電流密度下容量高達213mAh/g且庫倫效率高達99.2%，這些性能指標均優於普通的空白對照組電池。其在1C的電流密度下可以保持長達500周的穩定循環。

Shang-SenChi et al, Lithiophilic Zn Sites in Porous CuZn Alloy Induced Uniform LiNucleation and Dendrite-free Li Metal Deposition, Nano Letters, 2020

DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c00352

15. ACS Energy Letters: 氣體對金屬鋰負極循環性以及固態電解質界面形成的影響

對於Li-空氣電池來說，正極側溶解的氣體會穿梭到金屬鋰負極一側從而對固態電解質界面（SEI膜）的形成造成影響，不過目前人們對於這種現象研究的還不夠深入。有鑑於此，英國劍橋大學的Clare P. Grey等利用多種非原位技術手段結合電化學方法對氣體對SEI膜的影響進行了細緻研究。

本文要點：

1) 研究人員將金屬鋰在銅基底上進行沉積於剝離，然後暴露在O2、Ar或N2環境中。然後再利用掃描電子顯微鏡（SEM）、傅立葉變換紅外光譜（FT-IR）、X射線衍射（XRD）以及X射線光電子能譜（XPS）等非原位表徵技術對錶面SEI膜的成分和化學結構進行了全面表徵。

2) 研究人員發現在O2存在的條件下儘管電池阻抗會增大但是卻可以誘導均勻的成核過程並且能夠抑制枝晶生長和提高庫倫效率。這時候SEI膜的成分主要是較大的LiOH晶疇而且十分均勻，這與傳統多層多組分異質SEI膜的結構截然不同。在O2與N2的混合氣體氛圍中，鋰的沉積形貌更加均勻光滑且循環穩定性得到顯著改善，而且電池阻抗不會增加。

3) 當金屬鋰所處的氣體氛圍中不存在氧氣的時候，其表面SEI膜的組分會十分複雜而體現處多物種的異質性。這將進一步導致不均勻的沉積過程和枝晶生長。這些研究結果提示我們可以將氣體暴露作為金屬鋰裝配前的預處理手段來提高金屬鋰電池的循環穩定性並改善沉積行為。

EvelynaWang，Effects of Atmospheric Gases on Li MetalCyclability and Solid-Electrolyte Interphase Formation, ACS EnergyLetters, 2020

DOI: 10.1021/acsenergylett.0c00257

16. AM: 柔性陶瓷/聚合物雜化電解質助力固態鋰金屬電池

陶瓷/聚合物雜化電解質由於結合了無機陶瓷電解質高機械強度以及聚合物電解質的高柔性等優勢而廣受關注。不過，雜化體系中二者的界面不兼容問題限制了其作用的發揮。最近，中科院過程研究所的張鎖江研究員與張蘭副研究員利用原位偶聯反應制備了一種界面兼容程度很高的陶瓷/聚合物雜化電解質並將其應用在固體鋰金屬電池中。

本文要點：

1）研究人員受到氫鍵化學和鋰鍵化學的啟發，利用（3-氯丙基）三甲氧基硅烷這種商品化硅烷偶聯劑作為橋連構築劑使得Li10GeP2S12 (LGPS)這種無機固態電解質與聚乙二醇（PEG）這種聚合物電解質之間發生化學反應。為了獲得組分均勻的固態電解質，研究人員還向體系中添加了聚氧化乙烯（PEO）和鋰鹽LiTFSI。

2）研究人員選取PEG這種聚合物電解質作為反應體系主要是基於以下三點考慮：一是PEG能夠提供豐富的-OH與硅烷偶聯劑發生化學反應；二是其與PEO的分子結構十分類似因此二者在一起不會發生相分離；第三是因為適當分子量的PEG具有比PEO更高的離子遷移能力和鋰離子遷移數。

3）這種雜化陶瓷/聚合物複合電解質組分之間通過化學鍵緊密相聯。優化後的電解質薄膜表現出高離子電導率、低離子擴散活化能以及高鋰離子遷移數。複合電解質不僅能夠抑制金屬鋰枝晶的生長，還具有更高的電化學穩定性。

KechengPan et al, A Flexible Ceramic/Polymer Hybrid Solid Electrolyte forSolid-State Lithium Metal Batteries, Advanced Materials, 2020

DOI：10.1002/adma.202000399

17. ACS Energy Letters：消除導電劑在基於硫化物的固態電池中的有害影響

基於硫化物的固態電解質（SSE）被認為是實現高性能全固態鋰離子電池（ASSLIB）的關鍵部分。然而基於硫化物的SSE電化學穩定的狹窄窗口會急劇增加的界面電阻，影響了正極和負極材料的界面穩定性，導致電池容量快速下降。為了進一步改善ASSLIB的電化學性能，特別是高倍率能力，提高正極複合材料中的電子電導率至關重要。與常規液態鋰離子電池不同，碳添加劑在正極複合物中提供了足夠的電子滲透途徑，因此在充電過程中會加速硫化物SSE的分解。即使只是添加了非常少量的碳添加劑，硫化物SSE也會在電解液/碳上發生嚴重分解界面導致嚴重的副反應，並在碳添加劑和SSE之間形成不良的界面層。因此，碳添加劑的使用阻礙了ASSLIB的電化學性能，必須要克服在基於硫化物的ASSLIB中的正極複合材料上使用碳添加劑所帶來的阻礙，

基於此，加拿大西安大略大學孫學良院士課題組提出了一種通過構造基於硫化物的ASSLIB的半導體聚合物薄膜來實現高倍率容量的優異電化學性能的策略。通過分子層沉積（MLD）成功地在碳添加劑（CNT）和LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2（NMC811）的富鎳層狀正極材料上成功構建了均勻且共形的聚（3,4-乙撐二氧噻吩）（PEDOT）修飾。

文章要點：

1）PEDOT改性不僅有效地減輕了陰極中碳添加劑引起的硫化物SSE的分解，而且還顯著抑制了充電/放電過程中陰極材料與硫化物SSE之間的副反應。

2）ASSLIB的電化學性能得到顯著改善，包括更高的初始放電容量，增強了循環穩定性，改善了平均放電電位以及降低電壓極化。更重要的是，在陰極複合物中成功應用半導體添加劑可顯著提高倍率能力，在1C時容量超過100 mAh g-1，是裸電極的10倍。

3）XPS和同步加速器XANES分析表明，通過PEDOT改性可有效抑制正極複合物中硫化物SSE的分解和嚴重的界面副反應。

Deng,Sixu, et al, Eliminating the Detrimental Effects of Conductive Agents inSulfide-Based Solid-State Batteries, ACS Energy Lett., 2020

DOI:10.1021/acsenergylett.0c00256

三、金屬-空氣電池

18. Angew: 孔隙可調的塑晶固態電解質助力高性能全固態Li-O2電池

固態電解質帶來的高阻抗與固態正極中有限的三相界面是阻礙高性能全固態Li-O2電池發展的重要障礙。最近，長春應化所的張新波研究員採用熱誘導相分離技術成功地製備出了一種孔隙可調的塑晶電解質成功地實現了高性能全固體啊Li-O2電池。

本文要點：

1） 研究人員利用熱誘導相分離法成功地製備了兼具高離子電導率和疏鬆多孔形貌的丁二腈基塑晶固態電解質，從而克服了傳統丁二腈基固態電解質過於緻密無法構豐富三相界面的弊端。一方面，這種在碳基正極表面原位形成的塑晶電解質能夠同時滿足離子/電子轉移與O2擴散的需求，從而構建出豐富連續的三相界面。另一方面，孔隙結構帶來的高離子電導率、柔性以及吸附性還能夠降低電池內部阻抗。

2） 作者使用這種孔隙可調整的塑晶固態電解質組裝了全固態Li-O2電池，優化後的電解質製備條件可以使得Li-O2電池的容量高達5963mAh/g。當電流密度從200mA/g增大至500mA/g時，電池始終保持著穩定的放電曲線，其放電容量僅僅下降了一點。即使使用普通的純碳納米管作為空氣正極，全固態電池的容量也能夠超過5000mAh/g。這得益於在32℃的近室溫條件下該電池的內阻只有115Ω，相比全固態Li-O2電池領域動輒上千的內阻來說簡直微不足道。

3） 作者對這種塑晶電解質對電化學性能的改善作用進行了總結：(1)高離子電導率和高柔性實現了較低電化學極化；（2）連續且豐富的三項界面為加速電化學反應提供了豐富的活性位點。

JinWang et al, A Porosity-Adjustable Plastic Crystal Electrolyte EnabledHighPerformance All-Solid-State Lithium-Oxygen Batteries, Angewandte ChemieInternational Edition, 2020

DOI:10.1002/anie.202002309

19. Matter: 超薄RuRh合金納米片實現高鋰-CO2電池性能

具有高能量密度的非質子Li-CO2電池是一種很有吸引力的能量存儲技術。然而，其發展很大程度上受到二氧化碳還原和析出反應緩慢的阻礙。因此，北京大學郭少軍課題組以及香港理工大學黃勃龍課題組合成了超薄三角形RuRh合金納米片催化劑，可極大地加速CO2還原和析出反應的動力學，並獲得高的Li-CO2電池性能。

本文要點：

1） 通過溼化學法，使用乙酰丙酮銠（III） （Rh(acac)3）和十二碳三釕（Ru3(CO)12)作為金屬前驅體,（Ru3(CO)12)分解得到的一氧化碳作為表面封閉劑， 抗壞血酸（AA） 作為還原劑，油胺（OAm）作為溶劑和表面活性劑，合成了超薄三角形RuRh納米片（RuRh NSs）。RuRh NSs的平均橫向尺寸約為16.3 nm，平均厚度為1.9 ±0.5 nm 。

2）

3） 由超薄RuRh合金納米片組成的Li-CO2電池提供了一種有前途的策略，可以同時實現高度可再生的儲能設備和溫室氣體的利用。

YiXing et al. Ultrathin RuRh Alloy Nanosheets Enable High-PerformanceLithium-CO2 Battery. Matter,2020.

DOI:https://doi.org/10.1016/j.matt.2020.02.020

四、其他

20. AM綜述：燃料電池電催化劑中的缺陷工程

質子交換膜燃料電池以及直接甲醇成酸燃料電池等體系的商品化發展受到多種因素的阻礙，這其中包括電池穩定性較差、成本高、燃料交叉干擾、鉑基電催化劑催化動力學遲緩等。開發兼具高活性和高穩定性的電催化劑成為提高燃料電池性能的關鍵。近日，湖南大學的王雙印教授從電催化劑的缺陷構造及其作用機制這個角度對近年來燃料電池電催化劑的相關工作進行了總結。

本文要點：

1)根據熱力學第二定律，缺陷在所有的催化劑中都會不可避免地存在。缺陷的存在會打亂甚至破壞催化劑的週期性結構而造成納米材料化學性質與電子性質的重新分佈。作者在文章中第一部分對缺陷的定義、相關分類、表徵手段以及缺陷構造方法等進行了簡單介紹。

2)文章重點介紹了缺陷態陰極電催化劑與缺陷態陽極電催化劑在氧還原反應、氫氧化反應以及小分子氧化反應等領域的應用以及相關研究進展。作者通過將實驗手段與理論計算的結果相結合來論證了缺陷態電催化劑的結構及其電催化性能（活性和穩定性）之間的關係。作者基於對這種構效關係的深刻理解討論了缺陷態電催化劑在單體燃料電池系統中的應用。

3)作者在文章最後對缺陷態電催化劑在未來可能存在的一些挑戰進行了總結與展望，其中包括可控制備的難度、原位表徵的困難以及商品化應用中可能存在的問題等。

WeiLi et al, Defect Engineering for Fuel‐Cell Electrocatalysts,Advanced Materials, 2020

DOI: 10.1002/adma.201907879

21. Angew: 水系氧化還原聚合物質子電池，具有優異的快充和溫度特性

與傳統的無機電池材料相比，對環境無害且更經濟的有機電極因其結構多樣性而受到廣泛的關注。同時，基於水系電解質的有機電極，為電池技術提供了一種新的可能。有鑑於此，瑞典烏普薩拉大學Martin Sjödin等人報告了通過沉積乾燥法在溶液中製備了萘醌與對苯二酚噻吩側基的三聚體結構的固態導電聚合物層。該材料成功組裝的電池表明使用質子作為循環離子來構造搖椅型的無添加劑全有機水系電池的可行性。

本文要點：

1） 介紹了由功能化三聚噻吩單元組裝而成的全有機氧化還原聚合物（CRP）基水系質子電池。先沉積後聚合為電極組裝和加工提供了可能，因為它可以完全基於溶液。

2） 證明該電池可以在-24°C的溫度下使用，而不會明顯降低性能。作為未來的發展，可以通過優化CRP組件來提高電池中的電壓（0.4 V）和容量（60 mAh/g）。

3） 醌側基正極電極可以提供更高的電勢，還可以通過優化連接單元以及增加聚合物中每個重複單元的氧化還原基團的數量來提高容量。

4） 該電池表現出良好的循環穩定性（500次循環後保持85％），可承受快速充電，並在100秒內達到滿電量（60 mAh/g），可與光伏直接集成，即使在-24°C時仍保持其良好特性。

ChristianStrietzel, et al. An aqueous conducting redox polymer based proton battery thatcan withstand rapid constant‐voltage charging and sub‐zero temperatures, Angew.Chem. 2020

DOI:10.1002/ange.202001191

22. Joule: 緩解鋰離子電池的熱失控

電池的安全性是發展新型儲能設備的優先目標。頻繁發生的不明原因電池相關事故會很大程度上影響鋰電池及其相關應用的業界信心。此外，鋰離子電池熱失控的相關機制尚不明確，這對於從根本上抑制熱失控降低安全風險帶來了挑戰。近日，清華大學的歐陽明高院士總結了鋰離子電池熱失控的相關應對策略。

本文要點：

1) 文章首先對引發鋰離子熱失控的相關原因及熱失控過程中的失效順序進行了簡單介紹。熱失控通常是由各種濫用條件導致的，包括機械濫用、電氣濫用和熱濫用等。在各種誘因下熱失控發生並最終導致電池整體失效，甚至燃燒爆炸等。

2) 文章的重點在於熱失控相關抑制策略的總結與概括。而抑制鋰離子電池熱失控的核心在在於提高相關材料與組件的熱穩定性。熱失控過程中涉及到三個關鍵溫度：T1代表異常產熱的起始溫度、T2代表電池熱失控的引發溫度，T3代表熱失控過程中所能達到的最大溫度。所有的熱失控抑制策略的目標都是以這三個溫度作為參考指標來衡量其有效性。

3) 作者從單體電池水平上熱失控風險的降低和體系水平上防止熱失控蔓延這兩方面對熱失控相關物理-化學機制進行了闡明。從單體電池水平上來看，時間-順序圖有助於釐清熱失控與火焰之間的關係；而從系統水平上來看，時間-順序圖描述的則是熱失控蔓延程度和意外著火途徑之間的聯繫。通過切斷順序圖中不同狀態下的火勢流向就可以緩解熱失控。

XuningFeng et al, Mitigating Thermal Runaway of Lithium-ion Batteries, Joule, 2020

DOI: 10.1016/j.joule.2020.02.010

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