1. ACS Nano：各向同性微應變弛豫的富鎳正極用于長循環鋰離子電池

開發各向同性主導的微應變弛豫是提高高能量密度富鎳正極循環性能和熱穩定性的重要一步。

在此，華東理工大學李春忠教授，江浩教授團隊采用微結構工程策略，僅通過調節陽離子的沉淀速率和流場分布來合成拉長的初級粒子徑向排列的富鎳正極，所獲得的正極還表現出擴大的晶格距離和高度暴露的（003）晶面。初級粒子的高長徑比和有利的原子排列不僅能夠實現各向同性應變弛豫，有效抑制微裂紋的形成和擴展；而且有利于鋰離子擴散，大大減少Li/Ni混合。因此，與傳統同類產品相比，該材料表現出高倍率、長循環壽命以及優異的熱穩定性。

圖1. NCM811的微觀結構工程、理論指導和實驗結果

總之，該工作通過調節陽離子沉淀速率和流場分布，提出了一種微結構工程策略。制備的r-NCM811在初始庫侖效率、高倍率性能、長循環壽命和熱穩定性等方面表現出明顯的優勢。與傳統的同行，通過同樣的改進，Al-r-NCM 811在10C時仍表現出133mAhg^-1的高倍率性能，300次循環后容量保持率為97.8%，而Al-C-NCM811為118mAhg^-1和81.0%。

即使在1.5Ah軟包全電池中，Al-r-NCM811在1C下的容量保持率為90.1%，在3.0-4.3V范圍內循環1500次后，容量保持率為84.3%。因此，基于各向同性微應變弛豫以及持久的晶體和界面穩定性，這一戰略可擴展到其他層狀氧化物正極的合成與各向同性的應變分布以實現特殊的循環壽命。

圖2. 電池性能

Isotropic Microstrain Relaxation in Ni-Rich Cathodes for Long Cycling Lithium Ion Batteries, ACS Nano 2023 DOI: 10.1021/acsnano.3c04773

2. Advanced Functional Materials：鈣離子電池雜原子摻雜石墨烯負極的高贗電容存儲設計原理

多價離子的贗電容存儲，特別是Ca²⁺，在雜原子摻雜的碳納米材料中有望實現高能量和功率密度，但是目前還缺乏贗電容理論來合理設計鈣離子電池的材料。

在此，西安工業大學新能源科學與技術研究院潘洪革教授團隊聯合澳洲新南威爾士大學碳材料中心夏振海教授團隊通過理論和實驗相互證實首次提出了一種全新的贗電容理論，命名為“能級填充理論”。

基于此理論，從數學原理出發提出了精確的數學方程，在原子電子層面對贗電容型電極材料的設計給予指導；此外，該工作還提出了一種新穎的本征描述符φ去指導單摻雜以及雙摻雜石墨烯鈣離子電池贗電容型負極材料的設計，并得到了實驗的證實；系統地闡明了提出的描述符φ的底層物理本質，即一種定量捕獲微觀層面復雜電子相互作用的一種媒介；基于提出的能級填充理論和描述符的指導，提出了雜原子摻雜石墨烯鈣離子電池負極的兩步法設計策略并預言了良好負極材料的設計和性能將超越當前最好的鈣離子電池負極。

圖1. 理論模型

總之，該工作首次確立了一個通用的設計原則——超越Conway的贗電容理論。通過理論計算和實驗表征，描述了贗電容材料的電荷存儲機制。此外，該工作分別建立了單摻雜和雙摻雜石墨烯負極的火山圖和反火山圖，并據此提出了兩種設計策略，以提高摻雜石墨烯負極的贗電容及Ca²⁺存儲，使其高于現有的Ca²⁺存儲負極材料。因此，該工作為贗電容型電極材料設計提供了實驗證實的理論指導。

圖2. 共摻雜石墨烯模型上的 Bader 電荷轉移

Highly Pseudocapacitive Storage Design Principles of Heteroatom-Doped Graphene Anode in Calcium-Ion Batteries, Advanced Functional Materials 2023 DOI: 10.1002/adfm.202305610

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3. Nano Energy：富鐵焦磷酸鹽作為鈉離子電池正極，有效延伸高電壓平臺并抑制電壓衰減

鐵基焦磷酸鹽材料，由于其3D框架顯著減少Na⁺脫/嵌過程中的結構變化，且其所含的強共價鍵P-O鍵不易斷裂釋放氧氣，安全環保且成本低廉，展現出了很好的應用前景。Na₂FeP₂O₇是其中的最具代表性的材料之一，但明顯的電壓衰減和循環穩定性不佳限制了其商業化應用。目前，關于焦磷酸鹽材料高電壓平臺的衰減機制很少被研究，這使得其改性策略缺乏理論基礎。

在此，武漢理工大學木士春教授團隊利用溶膠凝膠法成功合成了富鐵型Na_1.4Fe_1.3P₂O₇正極材料（Fe-rich）。相對于富鈉型Na₂FeP₂O₇正極材料（Na-rich），其高壓放電平臺得到有效延伸，電壓衰減被明顯抑制，擁有更好的循環穩定性：在3.0 V與2.5 V處，放電平臺長度從2.5:1延長至6:1，前650次循環后的容量保持率從12%提升至84%，中值電壓衰減從1.71 mV/周降至0.22 mV/周。

此外，作者通過非原位XRD、M?ssbauer譜和密度泛函理論計算揭示了相轉變、Fe離子價態變化規律與電化學性能的高度相關性。

圖1. Na-rich 和 Fe-rich電極的電化學性能

總之，該工作通過調整傳統富鈉型Na₂FeP₂O₇正極材料（Na-rich）中的Na/Fe比例成功合成了新穎的富鐵型Na_1.4Fe_1.3P₂O₇正極材料（Fe-rich），不僅使高壓放電平臺得到了顯著的延伸，而且還有效抑制了電壓衰減，增加了電極的循環穩定性。研究表明，在高電壓下，Fe-rich中Fe³⁺還原性更強，有效延長了其高壓放電平臺（其3.0 V與2.5 V處平臺長度為6:1，遠大于Na-rich兩個平臺長度之比2.5:1），而且明顯抑制了其電壓衰減（650次循環后，Fe-rich的中值電壓衰減比例為5%，遠低于Na-rich的39%）。

此外，與Na-rich相比，Fe-rich和β-NaFeP₂O₇之間的相變可逆性更高，有助于延長循環壽命。Fe-rich在1C下進行650次循環后的容量保留率為84%。因此，富鐵焦磷酸鹽是一種極具應用前景的鈉離子電池正極材料。

圖2. Na-rich 和 Fe-rich材料發生相轉變的能量變化

Fe-rich pyrophosphate with prolonged high-voltage-plateaus and suppressed voltage decay as sodium-ion battery cathode, Nano Energy 2023 DOI: 10.1016/j.nanoen.2023.108822

4. Advanced Functional Materials：螺旋生長的鋅鈷合金層可實現高度可逆的鋅金屬負極

盡管鋅離子電池已獲得廣泛關注，但它始終受到鋅(Zn)負極不受控制的枝晶生長和嚴重副反應的困擾。

在此，中南大學周江教授，張笑談團隊通過恒流電沉積技術在商業鋅箔的一側設計了一個螺旋生長的三維(3D)ZnCo合金層。與裸Zn的晶面相比，主要暴露在3D螺旋結構側面的ZnCo晶面表現出優越的親鋅性，促進Zn進行自下而上的逐層生長。在沉積過程中，ZnCo合金層表面通過限制Zn²⁺的擴散行為逐漸變得平坦。組裝的ZnCo//ZnCo對稱電池在5 mA cm^-2的電流密度下穩定運行超過620小時。此外，ZnCo//NH₄V₄O₁₀軟包電池的初始容量為190 mA h g^?1，并在400次循環后保持81%的高容量保持率。

圖1. ZnCo合金負極的Zn離子沉積行為

總之，該工作通過三步離子交換反應在鋅箔表面構筑了螺旋生長的ZnCo合金層。ZnCo合金層具有獨特的3D結構，通過調節Zn²⁺離子的擴散行為促進了均勻的Zn沉積。此外，親鋅Co位點主要集中在3D結構的邊緣區域，促進了Zn²⁺進行自下而上的逐層Zn生長。同時，ZnCo合金優異的耐腐蝕性可以有效抑制負極表面腐蝕反應的發生，顯著提升其可逆性。

此外，ZnCo//NVO全電池表現出優異的循環穩定性，在5 A g^-1下循環1200次后仍保持92%的容量保持率。因此，該ZnCo負極在實際應用和工業生產方面前景廣闊，為Zn金屬負極的發展提供了新的方向。

圖2. 全電池電化學性能

Spirally Grown Zinc-Cobalt Alloy Layer Enables Highly Reversible Zinc Metal Anodes, Advanced Functional Materials 2023 DOI: 10.1002/adfm.202306101

5. Advanced Energy Materials：電解質添加劑的界面調節促進高放電深度下穩定的（002）織構鋅負極

水性鋅離子電池已被確定為電網儲能的可行選擇。然而，在高鋅使用率下，它們的實際應用受到限制。提高高放電深度（DOD）下循環穩定性的合適策略是通過實現（002）織構化Zn鍍層來抑制枝晶生長和副反應。

在此，中山大學王成新&楊功政教授團隊引入了一種新型的電解質添加劑3-巰基-1-丙磺酸鈉（MPS）來調節鋅/電解質的界面結構。具體而言，MPS陰離子可以在負極表面形成吸附層，通過第一性原理計算發現，該吸附層可誘導Zn在（002）方向上沉積。因此，該種改性的界面有效地抑制了枝晶生長和副反應，使Zn||Zn對稱電池具有顯著提高的循環壽命，在50%的高DOD下超過800小時，在1.0 mA cm^?2/1.0 mAh cm^?2下超過4500小時。

此外，V₂O₅·H₂O或聚苯胺正極的全電池的容量穩定性顯著提高。Zn||V₂O₅·H₂O軟包全電池在250次循環后顯示出42mAh的高容量和86.6%的良好容量保持率，突出了實際應用的巨大潛力。

圖1. MPS 添加劑抑制鋅枝晶生長的內在機制

總之，該工作揭示了一種創新的電解質工程策略，旨在有效提高鋅離子水系電池中鋅負極的循環性能。作者選擇了 3-巰基-1-丙磺酸鈉作為一般 ZnSO4 電解液中的新型添加劑，以調節鋅負極的界面結構，實現鋅在 (002) 方向的優先沉積，降低鋅離子沉積的能量勢壘，從而同時解決枝晶生長和副產物形成的嚴峻挑戰。并且通過原位光學顯微鏡、DFT 計算和其他實驗闡明，負極表面的 MPS 吸附層賦予了鋅的水平生長和副反應抑制能力。

因此，Zn|||Zn 對稱電池在 1 mA cm^-2/1 mAh cm^-2 的條件下實現了超過 4500 小時的超長循環壽命，在 50%的高 DOD 條件下實現了超過 800 小時的超長循環壽命，這在已報道的研究中處于領先地位。此外，MPS 添加劑還為全電池的高容量保持鋪平了道路。軟包 Zn||VOH 全電池顯示出約 40 mAh 的高容量和出色的循環穩定性。總之，該工作為推動鋅離子水系電池的實際開發提供了一種實用、高效的解決方案。

圖2. Zn||VOH和Zn||PANI全電池的電化學性能

Interfacial Regulation via Anionic Surfactant Electrolyte Additive Promotes Stable (002)-Textured Zinc Anodes at High Depth of Discharge, Advanced Energy Materials 2023 DOI: 10.1002/aenm.202301999

6. Advanced Energy Materials：常溫低壓無負極全固態電池

無負極全固態電池（ASSB）因其卓越的能量密度和安全性以及材料的經濟性是下一代電動汽車的目標。然而，由于采用了無負極結構，鋰沉積（脫出）反應動力學遲緩，而且會形成界面空隙，因此要在室溫和低壓條件下同時運行電池并非易事。

在此，首爾國立大學Jang Wook Choi、現代汽車公司Samick Son團隊開發了一種無負極保護層，使硫化物基 ASSB 能夠在室溫和低壓（2 MPa）條件下工作。該保護層由一層鎂薄膜組成，可促進鋰（脫）沉積的可逆性，并在室溫下具有相當大的容量。此外，在鎂層下面還采用了額外的 Ti₃C₂T_x MXene 緩沖層，以引入低壓操作所需的延展性，使得電池即使在2MPa的低壓下也可通過抑制空隙的形成來維持電解質-電極界面。

圖1. 電池性能

總之，該工作報告了一種雙層薄膜，作為硫化物無負極ASSB的保護層。由于鎂的鋰化能壘較低，選擇了鎂作為上層，使電池能在室溫下工作。由于單獨的鎂層無法適應鋰沉積和剝離過程中電極的體積變化，因此在其下方集成并插入了韌性 MXene 層，以釋放機械應力，從而使電池能夠在低壓（即 2 MPa）下運行。二維和三維微觀結構分析證實，高延展性雙層結構可通過緩沖應力來維持電極-電解質界面。因此，該策略可使無負極 ASSB同時在室溫和低壓下工作。

圖2. 電極-電解質界面的X射線顯微鏡 (XRM) 和微計算機斷層掃描 (μCT)

Anode-Less All-Solid-State Batteries Operating at Room Temperature and Low Pressure, Advanced Energy Materials 2023 DOI: 10.1002/aenm.202301508

7. Joule：無負極固態電池合金界面層的結構和電化學演化

“無負極”固態電池（SSBs）使用鋰化正極與不含活性材料的集流體，該種設計使電池擁有小的體積和高的能量密度，且簡化了制造工藝。無負極固態電池在初始電沉積過程中，鋰與集流體之間的相互作用將影響鋰的成核行為以及隨后循環過程中的形態演變。掌握無負極固態電池中鋰的行為至關重要，因為鋰在集流體上的直接生長機制可能與鋰離子電池有所不同，但是目前對其了解相對有限。

在此，佐治亞理工學院Matthew T. McDowell教授團隊利用電化學方法、電子顯微鏡、x射線微計算機斷層掃描和模型揭示了鍍鋰/剝離過程中100 nm內金銀界面層的演變。合金層提高了庫侖效率和抗短路性，即使合金在沉積過程中形成溶質區域或顆粒從集流體分離。原位電化學阻抗譜表明，合金在剝離結束時返回界面，減輕了接觸損失，避免了無負極電池的臨界脆弱性。接觸保持力是由均勻的鋰厚度驅動的，這促進了空間均勻的剝離，以及響應于電流濃度的局部合金衰減，從而使電流均勻化并減少了孔隙。

圖1. 電沉積后裸銅和鍍銀電極的同步加速器x射線微計算機斷層掃描表征

總之,該工作深化了對合金夾層在提升無負極固態電池性能方面作用的理解。合金夾層呈現出復雜的形態演變，并且影響多個界面電化學動力學方面。盡管銀層和金層在初始合金化和鋰沉積過程中經歷不同的結構變化，但它們都能夠提高鋰的成核密度，使鋰能夠在整個集流體中均勻生長。均勻厚度的鋰對于剝離末端的孤立島狀鋰和空洞的形成不敏感，從而提高了循環穩定性。

此外作者還發現，由于過電位增加導致局部脫鋰，合金層可以在剝離結束時實現鋰島附近電流的均勻分布。這種機制有助于進一步增強這些界面的彈性和穩定性。因此，該項研究揭示了合金層在實現高性能無負極固態電池方面的巨大潛力。

圖2. 機理和電化學建模

Structural and electrochemical evolution of alloy interfacial layers in anode-free solid-state batteries, Joule 2023 DOI: 10.1016/j.joule.2023.07.022

8. Advanced Materials：基于電子調控鉍原子表面-孔界面的釩氧化還原流電池解耦活化與遷移

全釩氧化還原液流電池（VRFB）有望為利用可再生能源實現低成本和電網規模的電力存儲提供途徑。然而，高負載催化劑的傳質和活化過程的相互作用使得驅動高性能密度 VRFB 具有挑戰性。

在此，香港城市大學Walid A. Daoud團隊報道了一種表面-孔催化界面結構電極，以產生高性能的VRFB，其中的關鍵在于從原子尺度的催化表面到介孔到微米孔的活化和傳輸過程解耦。電子調節首次在VRFB中使用了單原子，在Mn₃O₄亞支架上產生了高活性的Bi原子暴露催化表面，加速了V³⁺/V²⁺轉換，進一步闡明了內部機理。

圖1. Bi原子的結構和表面表征

總之，該功能界面在不對稱 Bi-O-Mn 結構中容納電子調節的原子 Bi 催化劑，加速 V³⁺/V²⁺ 轉換。此外，相比傳統的運輸受限催化劑，介孔 Mn₃O₄ 子支架，用于氧化還原活性物質的快速穿梭，從而使位點可及性最大化。

通過將該界面原位接枝到微米多孔碳氈（Bi1-sMn₃O₄-CF）上，實現了高性能液流電池，即使在400 mA cm^-2的高電流密度下，也能產生76.72%的創紀錄高能量效率，峰值功率密度為 1.503 W cm^-2 ，超過了不含 Bi 催化劑的 sMn₃O₄-CF 電池（62.60%，0.978 W cm^-2 ）。此外，該電池具有超過 1500 次循環的非凡耐用性，這標志著可持續 RFB 的重大突破。

圖2. 全電池性能

Decoupling Activation and Transport by Electron-Regulated Atomic-Bi Harnessed Surface-To-Pore Interface for Vanadium Redox Flow Battery, Advanced Materials 2023 DOI: 10.1002/adma.202305415