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来源：电池未来收集编辑：秋白
1. 三星Nature子刊：高性能软包准固态锂电，寿命超800次，比能量达680Wh/L！基于无机固态电解质的锂金属电池（LMB）被认为是有前景的二次电池系统，因为其能量密度高于锂离子电池。然而，LMB的性能在商业化方面仍然不令人满意，这主要是由于无机固态电解质不能阻碍锂枝晶的生长。三星综合技术院Dongmin Im等采用Ag涂层的Li6.4La3Zr1.7Ta0.3O12（LLZTO）无机固态电解质与银碳夹层相结合，展示了稳定界面工程化LMB的实验室级制备。具体而言，这项工作首先探讨了在碳基夹层存在的情况下，锂向集流体优先沉积的热力学来源。然后，将Ag-C复合夹层加入到Ta掺杂的LLZO上，并在LLZTO表面溅射了一个纳米厚的Ag层。理论计算表明，Ag-C夹层可以调节锂向负极一侧的沉积，防止锂和LLZTO的直接接触，并有效抑制树枝状晶体的渗透。溅射的Ag层被用于增强LLZTO和夹层之间的粘附力。图2 通过引入Ag涂层改善LLZTO与Ag-C夹层之间的粘附性通过夹层进行无机固态电解质表面工程的策略能够建立一个单层实验室规模的Li|Ag-C/Ag/LLZTO/IL|NCM333软包电池，其能够提供约3 mAh/cm2的初始放电容量，并在1.6 mA/cm2和25℃下进行800次循环后显示出约85%的放电容量保持率，无需施加外部压力。此外，作者还计算了Li|AgC/Ag/LLZTO/IL|NCM333电池作为电池组中一个单元的预计能量密度为680Wh/L。总体而言，这项研究的结果为开发使用无机固态电解质的实用LMB提供了宝贵的见解。图3 Li|Ag-C/Ag/LLZTO/IL|NCM333单层软包电池的性能Surface engineering of inorganic solid-state electrolytes via interlayers strategy for developing long-cycling quasi-all-solid-state lithium batteries. Nature Communications 2023. DOI: 10.1038/s41467-023-36401-72. 化学所/暨大EES：基于单原子硫复合材料的高容量快速储钾负极由于钾离子的大体积、重质量，为钾离子电池(KIBs)追求具有突出综合性能的可靠负极仍然是一项艰巨的挑战。通常情况下，高容量的钾存储会导致电极严重的体积膨胀和不稳定性的升高。中科院化学所曹安民、暨南大学宾德善等发现一种单原子硫复合材料可以作为高性能的KIBs负极，其具有良好的容量、循环和倍率性能组合。具体而言，通过对选定的前体进行简单的低温热解，高含量（约32wt%）的单原子硫可以被共价键入多壳空心纳米球（ASHCs）的碳晶格。单原子硫的超强氧化还原反应性以及由此产生的S/C复合材料的多孔结构，不仅可以实现快速的表面主导的储钾，而且还可以确保其结构的弹性，从而实现高比容量，同时具有出色的倍率和令人印象深刻的循环性。受益于上述优势，合理设计的ASHCs负极表现出前所未有的高初始容量（30 mA g-1时为686 mAh g-1）、卓越的倍率能力（1.5 A g-1时为373 mAh g-1）和出色的循环性（在1 Ag-1时400次循环中容量衰减率低至∼0.03%，同时具有约99.5%的优越库伦效率）。该研究为设计高性能的单原子硫复合体以获得可靠的KIBs负极开辟了一条便捷的途径，并为钾硫电化学提供了新的视角。Surface-Dominated Potassium Storage Enabled by Single-Atomic Sulfur for High-Performance K-Ion Battery Anode. Energy & Environmental Science 2023. DOI: 10.1039/d3ee00073g3. 地大AM：石墨烯穿孔结合Co3Se4的原位生长助力高性能钠离子电池由于石墨烯本身耐人寻味的特性以及石墨烯与活性材料之间的协同效应，基于石墨烯的纳米材料作为有前景的钠离子电池的负极材料已经出现。然而，二维石墨烯片只允许钠离子沿平行方向快速扩散，而垂直方向的扩散则很困难，这限制了石墨烯基电极材料的倍率能力。中国地质大学余家国、张留洋等采用孔隙形成工程来对石墨烯进行穿孔，同时实现了Co3Se4纳米颗粒的原位生长，以解决上述问题。具体而言，作者采用了热蚀刻和原位转换策略来合成Co3Se4和多孔石墨烯（HG）的纳米混合体，其中Co3Se4纳米颗粒被均匀地固定在HG纳米片的孔旁边。作为导电基底的HG纳米片不仅加速了电极材料中的电子转移，而且还加强了结构的稳固性。更重要的是，Co3Se4纳米颗粒旁边的平面内纳米孔打开了离子扩散的纵向通道，缩短了电解质离子在电极材料中的距离。受益于这种巧妙结构所赋予的高导电性和快速的离子传输，Co3Se4/HG负极在5.0 A g-1的高电流密度下显示出519.5 mAh g-1的出色倍率性能，并在0.1 A g-1的条件下循环100次后显示出575.2 mA h g-1的优异可逆容量。此外，Co3Se4/HG复合材料还表现出突出的循环稳定性，在2.0 A g-1的条件下经过1000次循环后的容量为464.3 mAh g-1。当进一步将Co3Se4/HG作为负极与商业化的Na3V2(PO4)3(NVP)作为正极结合在一起时，Co3Se4/HG|NVP全电池也呈现出突出的比容量、非凡的循环耐久性和惊人的倍率能力。Pore perforation of graphene coupled with in-situ growth of Co3Se4 for high-performance Na-ion battery. Advanced Materials 2023. DOI: 10.1002/adma.2022077524. 刘平/忻获麟Nature Energy：重要发现！基底亲锂性并不决定Li的沉积行为！控制锂金属的成核和生长是实现快速充电电池的关键。加州大学圣地亚哥分校刘平、加利福尼亚大学尔湾分校忻获麟等报告了单晶种子的生长，它导致了高密度锂的沉积，甚至在高电流密度下。与被广泛接受的使用亲锂表面实现无枝晶沉积的做法相反，作者采用由LiF和Fe的纳米复合材料制成的疏锂表面来沉积六方晶体，这诱导了随后的致密锂沉积。这种规范的Li成核和早期生长行为是由Li/基底界面和Li/SEI界面的快速表面Li扩散促成的，这些界面富含LiF。此外，研究发现，界面上的Li传输率而不是亲锂性决定了Li的生长行为。因此，有了均匀的成核点和六方单晶Li生长的低孔性，通常观察到的靠近基底的枝晶生长被大大缓解了。基于此，这项工作采用Fe/LiF纳米复合材料构建的半电池在3和5 mA cm-2的条件下分别显示出>1000和>600次的循环。与裸铜负极基底相比，在贫电解液（3 g Ah-1）和1 C倍率循环的全电池（Li/NMC811）测试中，观察到显著的循环性改善，这是由于更致密的锂沉积的结果。总体而言，这项工作提出了一种调整锂成核行为和随之而来的锂沉积的方法，这为实现能够快充高能量密度的LMB铺平了道路，这对于实现其在电动汽车中的应用至关重要。Growing single-crystalline seeds on lithiophobic substrates to enable fast-charging lithium-metal batteries. Nature Energy 2023. DOI: 10.1038/s41560-023-01202-15. 三单位AFM：具有冷却和防火双重功能的薄膜实现快充/放锂离子电池！锂离子电池（LIBs）在高速运行过程中不可避免的内部温度上升导致的火灾和爆炸事故以及由于循环稳定性差而导致的能量利用率下降已经成为一个日益严重的问题。清华大学刘长洪、河北工业大学孟垂舟/禹伟、北京低碳清洁能源研究院王俊明等报告了一种具有有效被动冷却性能和防火绝缘的双功能碳纳米管/吸湿性盐（DFCNT/HS）薄膜，以用于在极快放电条件下安全使用的实用LIB。基于自适应吸湿/解吸的冷却机制的DFCNT/HS薄膜提供了32.9 W m-2 K-1的高冷却功率，并且在放电倍率为10和15 C时，可以将3.6V/2.0Ah-18650型LIB的最高温度分别降低11.2和17.4℃。图2 不同条件下DFCNT/HS膜的电池冷却效果评估此外，覆盖冷却膜后，电池在500次循环内的10次放电中，总容量多出23.6 Ah。具有挑战性的是，在15C下实现了425次循环的几乎三倍延长寿命，额外的总容量为467.2 Ah。同时，开发的薄膜还显示出高达540℃的优异耐高温性，这可以减轻毁灭性的火灾传播。快速散热和优异的防火性能，以及机械柔韧性和制备的可扩展性，使这种新材料在零能耗的快充锂离子电池的安全使用方面很有前景。图3 具有和不具有DFCNT/HS膜的电池的快充/放循环性能Carbon Nanotube/Hygroscopic Salt Nanocomposites with Dual-Functionality of Effective Cooling and Fire Resistance for Safe and Ultrahigh-Rate Operation of Practical Lithium-Ion Batteries. Advanced Functional Materials 2023. DOI: 10.1002/adfm.2022138466. 哈师大EnSM：定制应力消除结构实现高性能钾离子混合电容器/电池！钾离子宿主缓慢的氧化还原动力学和严重的体积变化是钾离子混合电容器（PIHC）和钾离子电池（PIB）的挑战性问题。哈尔滨师范大学邓超等介绍了一种新型三元磷硒化钴（CoPSe）@N/P共掺杂碳（NPC）复合材料，该复合材料具有应力消除结构，可用作PIHC和PIB的负极。具体而言，超细CoPSe纳米晶体嵌入N和P共掺杂碳基质中以形成球形单元，然后将得到的“纳米球”封装在轮胎状中空框架中，以构建“轮胎包球”（BIT）结构。双碳装饰和BIT结构的超细晶体都有利于电子/离子的快速传输，并显著降低内应力。同时，三元CoPSe晶体与N/P共掺杂碳基体之间的强界面相互作用有利于复合材料的快速动力学和高稳定性。此外，这种CoPSe@NPCBIT复合材料是首次通过一种简单的生物合作方法构建的，其中局部生物燃烧、原位磷化和硒化同步。密度函数理论（DFT）结果显示，CoPSe@NPC异质结构的内在导电性能得到了改善，钾的吸附和扩散能力得到了增强。有限元模拟（FEA）表明，在离子嵌入/脱出过程中，BIT结构内部存在均匀分布的压抑应力。电化学结果表明，在钾离子体系中，CoPSe@NPC BIT复合材料具有卓越的高倍率能力和出色的循环稳定性。此外，基于CoPSe@NPC BIT负极制备的PIHCs和PIBs全电池表现出高能量密度、高功率密度和长期循环的高耐久性。更令人印象深刻的是，这两个器件在不同的外部变形或宽温度范围内均表现出良好的耐滥用性，这使它们成为有前途的电源，以用于不同的应用。Tailoring Stress-Relieved Structure for Ternary Cobalt Phosphoselenide@N/P Codoped Carbon towards High-Performance Potassium-Ion Hybrid Capacitors and Potassium-Ion Batteries. Energy Storage Materials 2023. DOI: 10.1016/j.ensm.2023.02.0137. 陆俊/张庆华/侯阳AEM：人脑毛细血管启发的自组装COF膜助力钠硫电池室温钠硫（RT/Na-S）电池是一种有前景的低成本储能技术。然而，隔膜在该系统中的重要作用往往被忽视了。浙江大学陆俊、张庆华、侯阳等受人脑毛细血管维持大脑平衡的启发，开创了共价有机框架（COF）膜的主客体自组装策略，其赋予膜多种功能（钠离子运输、封闭和多硫化物的转化），以维持RT/Na-S电池系统的稳定性。COF具有预先设计的纳米结构、固有的规则孔隙率和电荷密度的可调控性，为构建理想的隔膜提供了引人注目的机会。基于此，作者为Na-S电池开发了一种双层结构的隔膜，它整合了三种功能成分：离子分子、共价有机框架和碳纳米管。开发的生物仿生膜（HB/CNT@COF）拥有规则的钠离子选择性传输通道和多硫化物开关层。该仿生膜还能满足高效的钠离子运输、抑制钠树枝的形成、防止多硫化物穿梭和及时转化多硫化物的要求。因此，由于羟基萘酚蓝（HB）和多壁碳纳米管（CNT）的协同作用，HB/CNT@COF电池表现出733.4 mAh g-1的容量，在4C下循环400次后容量衰减有限，这一性能几乎是商用玻纤隔膜的4倍。此外，该电池在贫电解液的条件下表现出了优异的性能。Brain Capillary-Inspired Self-Assembled Covalent Organic Framework Membrane for Sodium–Sulfur Battery Separator. Advanced Energy Materials 2023. DOI: 10.1002/aenm.2022043348. 华理Small：三明治结构聚合物电解质实现快速的锂离子传输将无机填料引入有机聚环氧乙烷（PEO）基电解质中，以提高其离子导电性和机械强度已引起广泛关注，但有限的无机-有机界面总是由孤立的颗粒团聚引起。图1 Li+传输途径和ZnO对TFSI-的锚定作用示意图华东理工大学龙东辉、张亚运、牛波等提出了多种三明治结构的金属氧化物/还原氧化石墨烯(rGO)/金属氧化物纳米复合材料，以优化锂金属电池中非晶态有机-无机界面优化锂离子传导。在高比表面积的rGO的支持下，金属氧化物颗粒的聚集被排除，形成具有逐层堆叠结构的连续无定形有机-无机界面，从而形成垂直和横向的3D互连锂离子传输通道。此外，具有羟基的金属氧化物纳米颗粒通过羟基与氟和金属氧键之间的氢结合，对双三氟甲磺酰基酰亚胺阴离子具有高亲和力，释放更多的游离锂离子。因此，PEO-ZnO/rGO/ZnO电解质在25℃时具有1.02×10-4 S cm-1的优异离子传导性，在60℃时具有0.38的锂离子转移数。此外，ZnO/rGO/ZnO的插入促进了富含LiF的稳定固体电解质界面的形成，这使对称锂电池具有超过900小时的长期循环稳定性。相应的LiFePO4正极在在0.5C下循环300次后拥有130 mAh g-1的高可逆比容量，每循环的容量衰减为0.05%。Sandwich Structured Metal oxide/Reduced Graphene Oxide/Metal Oxide-Based Polymer Electrolyte Enables Continuous Inorganic–Organic Interphase for Fast Lithium-Ion Transportation. Small 2023. DOI: 10.1002/smll.202207536【做计算 找华算】华算科技专注DFT代算服务、正版商业软件版权、全职海归计算团队，10000+成功案例！