1. 于馨智ACS Nano：無氟反溶劑助力超穩定鉀離子電池

電極與電解質之間的穩固界面對于鉀離子電池（PIBs）的長期循環至關重要。實現這一目標的有效策略是通過電解質結構工程促進形成陰離子衍生堅固而穩定的固體電解質界面（SEI）。

圖1 DX的作用示意

湖南大學于馨智等受重結晶中反溶劑應用的啟發，提出了一種優化電解液溶劑化結構的無氟反溶劑策略。具體而言，這項工作報告了一種非氟化反溶劑1，4- 二氧六環（DX），用于優化低濃度磷酸酯基電解液。這種電解液由1 M雙氟磺酰亞胺鉀（KFSI）與磷酸三甲酯（TMP）和DX抗溶劑（體積比為1:1）的混合物組成。

與傳統引入高氟醚溶劑的局部超高濃電解液相比，通過在磷酸酯基電解液中引入一定量的DX溶劑后，陰陽離子的相互作用得到了顯著增強，從而促進了薄而穩定的SEI的形成，確保了PIB優異的循環性能。

圖2 半電池性能

研究顯示，所設計的電解液與石墨負極的高度兼容，并顯示了在鉀負極循環過程中對鉀枝晶生長的有效抑制。此外，實驗結果表明，K||石墨電池在設計的電解液中循環1000次后，容量衰減可忽略不計，K||K對稱電池在超過2200小時的時間內也表現出穩定的沉積剝離性能。這項研究證明了使用無氟反溶劑優化電解液工程的可行性，并為實現卓越的PIB電化學儲能系統提供了一種方法。

圖3 K||石墨電池性能

Nonfluorinated Antisolvents for Ultrastable Potassium-Ion Batteries. ACS Nano 2023. DOI: 10.1021/acsnano.3c05165

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2. 王海輝/陸俊/王素清AEM：利用碘氧化還原化學實現高容量耐用的全固態鋰電

聚（環氧乙烷）（PEO）基電解質因其安全性高和柔性好而被廣泛應用于LiFePO₄/Li固態電池。然而，這種電池的能量密度不盡人意，使用壽命較短，這阻礙了其大規模應用。

圖1 GCN-LiI-PEO的作用示意及表征

清華大學王海輝、浙江大學陸俊、華南理工大學王素清等提出將石墨氮化碳納米片（GCN）輔助堿金屬碘化物作為PEO基電解質的多功能填料。研究發現，GCN的引入可通過吸附作用固定碘的位置，從而減少碘的遷移并促進碘氧化還原反應的動力學。

除了降低PEO結晶度和提高電解質的離子電導率外，GCN輔助堿金屬碘化物的加入還能促進鋰的遷移，在鋰負極上構建穩定的界面相，并使鋰均勻沉積。此外，新穎的是，在2.0-4.0 V的電壓范圍內，碘化物參與的可逆氧化還原反應（包括I^–/I₃^–和I₃^–/I₂）可為LiFePO₄/Li電池提供額外的容量。

圖2 動力學研究

結果，使用GCN-LiI改性PEO電解質（GCN-LiI-PEO）的全固態LiFePO₄/Li電池在0.1C時可實現228.4 mAh g^-1的高放電容量，在10C時可實現99.2 mAh g^-1的卓越倍率能力，在0.5C下循環900次后可實現87.3%的高容量保持率。此外，采用GCN-assisted-KI或NaI的LiFePO₄/Li電池也實現了高容量和較長的循環壽命。這項研究為開發高能量密度固態電池開辟了一條前景廣闊的道路。

圖3 全固態LiFePO₄/Li電池的性能

Exploiting Iodine Redox Chemistry for Achieving High-Capacity and Durable PEO-Based All-Solid-State LiFePO4/Li Batteries. Advanced Energy Materials 2023. DOI: 10.1002/aenm.202301462

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3. 三單位AM：用于高容量和長壽命水系鋅離子電池的鈣摻雜VO2正極

非晶態過渡金屬氧化物因其豐富的不飽和懸鍵而具有潛在的理想電化學特性，因此在儲能設備中備受關注。然而，非晶化進一步擴大了金屬氧化物內在電子導電性差的缺點，這導致其倍率能力和功率密度不能令人滿意。

圖1 材料制備及表征

中科院蘇州納米所張其沖、李清文、東南大學王春雷、新加坡南洋理工大學Lei Wei等通過對鈣摻雜的VO₂納米陣列進行原位電化學氧化，成功制備出自支撐的非晶態鈣摻雜V₂O₅（a-Ca-V₂O₅）正極，并用于可穿式水系鋅離子電池（WAZIBs）。研究顯示，鈣的摻入和自支撐結構的構建有效地發掘了非晶態V₂O₅的潛力，使其能夠充分利用豐富的活性位點實現高容積容量，同時實現快速反應動力學以獲得優異的倍率性能。

圖2 不同電極的電化學性能對比

更重要的是，理論計算顯示，Ca的引入可顯著降低VO₂的形成能，并在充放電過程中實現非晶到晶體的可逆轉換化學反應，從而促進了a-Ca-V₂O₅的可逆容量。得益于上述優勢，組裝的柔性水系鋅離子電池在電流密度為0.1 A cm^-3的情況下實現了597.22 mAh cm^-3的超高容量和408.37 mWh cm^-3的驚人能量密度。

總體而言，這項工作為設計具有良好反應動力學和結構穩定性的柔性非晶態氧化釩正極開辟了一條有效途徑，可用于下一代可穿戴式水系鋅離子電池。

圖3 柔性水系鋅離子電池的性能

Emerging Amorphous to Crystalline Conversion Chemistry in Ca-Doped VO2 Cathodes for High-Capacity and Long-term Wearable Aqueous Zinc-Ion Batteries. Advanced Materials 2023. DOI: 10.1002/adma.202303906

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4. 兩單位AM：用于水系鋅離子電池的層狀Bi2Te3@PPy正極

低成本、安全、環保的可充水系鋅離子電池（ZIBs）有望成為可穿戴電子設備等應用領域的下一代儲能設備。然而，離子傳輸動力學遲緩以及離子嵌入脫出過程中電極結構的不穩定阻礙了其應用。

圖1 Bi₂Te₃@PPy的合成過程示意

西班牙加泰羅尼亞研究所Andreu Cabot、哈爾濱工業大學田艷紅、王尚、Qing Sun等提出了一種基于層狀金屬硫族化物（LMC）、碲化鉍（Bi₂Te₃）和聚吡咯（PPy）涂層的新型正極材料。

研究發現，利用PPy涂層的優勢，Bi₂Te₃@PPy復合材料具有很強的離子吸收親和力、高抗氧化性和高結構穩定性。因此，基于 Bi₂Te₃@PPy正極的ZIB具有高容量和超過5000次循環的超長壽命。即使在彎曲條件下，它們也具有出色的穩定性。

圖2 電化學機制研究

此外，作者還利用原位X射線衍射、X射線光電子能譜和和密度泛函理論（DFT）計算分析了其反應機理，并證明在水體系中，Zn²⁺并不像以前假設的那樣嵌入正極，相反，質子電荷儲存在這一過程中占主導地位。總之，這項工作不僅展示了LMC作為ZIB正極材料的巨大潛力和PPy涂層的優勢，還闡明了基于LMC的可充電ZIB的充放電機制。

圖3 柔性電池應用展示

A Layered Bi2Te3@PPy Cathode for Aqueous Zinc Ion Batteries: Mechanism and Application in Printed Flexible Batteries. Advanced Materials 2023. DOI: 10.1002/adma.202305128

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5. 侯豪情/蔣少華AEM：PEO-LiFSI-PVDF復合涂層硫正極循環1000次！

硫是一種安全、無毒、廉價且天然儲量豐富的材料，與其他材料相比，它能夠以較低的成本儲存能量，因此在鋰硫電池中發揮著重要作用。盡管鋰硫電池的這些突出特點很有吸引力，但要使其實際容量與其理論值相匹配，以進一步實現商業化，仍然是一項挑戰。

圖1 材料制備及作用示意

韓國科學技術研究院Il-Doo Kim、江西師范大學侯豪情、南京林業大學蔣少華等首次提出了基于PEO（聚環氧乙烷）/LiFSI（雙氟磺酰亞胺鋰）/PVDF（聚偏氟乙烯）（PLP）的凝膠聚合物電解質涂層在碳納米管（CNTs）基硫正極上的應用，以提升鋰硫電池的性能。研究顯示，PL涂層與鋰鹽形成絡合物，有效抑制了Li₂S_x（x > 4）在高DN（古特曼供體數）PEO中的溶解，并豐富了反應位點。

此外，在PLP凝膠中使用低DN PVDF可促進元素硫轉化為固體Li₂S₂/Li₂S，而不會形成中間產物，從而進一步增強了穿梭效應的抑制。另外，通過在優化溫度下進行退火處理，PEO的無定形結構得以保留，從而促進了鋰離子的遷移。

圖2 電化學性能研究

得益于上述特性，涂覆了PLP的S/CNT在長期運行（1000次循環）后仍能保持較高的放電容量（0.5 C時為573.6 mAh g^-1），甚至在6 C的高倍率工作條件下也實現了318.1 mAh g^-1的高放電容量。值得注意的是，簡單地涂覆PLP就能使鋰硫電池穩定運行達1000次，并具有較高的比容量，這有助于縮小鋰硫電池實驗室規模研究與工業化之間的差距。

圖3 CV和EIS研究

Sulfur–Carbon Electrode with PEO-LiFSI-PVDF Composite Coating for High-Rate and Long-Life Lithium–Sulfur Batteries. Advanced Energy Materials 2023. DOI: 10.1002/aenm.202302139

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6. 陳人杰/錢驥AM：具有高韌性和高離子電導率的自誘導雙層SEI

鋰金屬被認為是高比能電池最有前景的負極材料之一，而鋰表面總是發生不可逆的化學反應，不斷消耗活性鋰和電解液。固體電解質界面層（SEI）通常被認為是保護鋰金屬負極的關鍵部件。

圖1 自誘導雙層SEI的構建

北京理工大學陳人杰、錢驥等展示了一種具有高韌性和高離子導電性的自誘導雙層SEI，以用于超穩定鋰金屬電池。具體而言，作者通過射頻磁控濺射法在鋰金屬表面直接預沉積了一層超薄的LiAlO₂（LAO）薄膜，作為堅固的鋰離子導電無機層。

此外，在最初的電化學循環中，電子隧穿LAO會導致電解液還原和外層有機層的形成。因此，在鋰金屬負極上可以形成獨特的自誘導雙層SEI。

圖2 對稱電池性能

研究顯示，由于具有良好的機械強度和離子導電性，堅固的LAO層能有效抑制鋰枝晶的生長，從而實現均勻的鋰沉積。同時，外層有機層還能進一步提高鋰金屬負極與電解液之間相間的穩定性。

此外，具有自誘導雙層SEI的改性鋰金屬負極的制備具有很高的可擴展性。得益于雙層SEI的顯著效果，基于改性鋰金屬負極的鋰對稱電池以及各種全電池的電化學性能和循環壽命都得到了大幅提高。

圖3 全電池性能

Self-Induced Dual-Layered Solid Electrolyte Interphase with High Toughness and High Ionic Conductivity for Ultra-Stable Lithium Metal Batteries. Advanced Materials 2023. DOI: 10.1002/adma.202303710

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7. 牛志強AM：構建二元電解液界面，實現高穩定性鋅負極

鋅金屬具有理論容量高、成本低和安全性高等優點，是一種很有前景的水系鋅離子電池負極候選材料。然而，它經常會發生析氫反應（HER）、鋅枝晶生長和副產物的形成。

圖1 BPE界面的構建和作用示意

南開大學牛志強等通過在鋅負極表面引入基于磷酸三乙酯（TEP）的電解液潤濕疏水性聚丙烯（PP）隔膜，開發了磷酸三乙酯（TEP）/H₂O雙相電解液（BPE）界面。疏水性聚丙烯隔膜表面的H₂O基電解液和TEP基電解液的表面張力相當，這確保了BPE平衡和BPE界面的構建。

研究顯示，BPE界面將誘導Zn²⁺溶劑化結構從[Zn(H₂O)_x]²⁺ 轉換為[Zn(TEP)_n(H₂O)_y]²⁺，其中大部分溶劑化的H₂O分子被去除。在[Zn(TEP)_n(H₂O)_y]²⁺中，TEP和H₂O分子之間形成的氫鍵可進一步限制殘留的H₂O分子。

圖2 半電池性能

因此，在BPE的情況下，HER和副產物能夠在鋅負極表面得到有效抑制。結果，采用BPE的鋅負極獲得了高庫侖效率、高利用率和卓越的循環性能，庫侖效率高達99.12%，循環可達6000小時，遠高于單相水電解液。為了說明BPE在全電池中的可行性，作者也基于BPE組裝了Zn/Al_xV₂O₅電池，即使在低正負比（N/P）條件下也能表現出穩定的循環性能。

圖3 全電池性能

The Construction of Binary Phase Electrolyte Interface for Highly Stable Zinc Anodes. Advanced Materials 2023. DOI: 10.1002/adma.202304426

8. 熊勝林/周國偉AEM：通過溶劑化結構和界面化學調控實現高可逆鋅金屬負極

水系鋅離子電池（AZIBs）具有安全、經濟和高體積能量密度等吸引人的優點。然而，猖獗的寄生反應和枝晶生長導致鋅的可逆性不足。

圖1 通過添加Asp改變Zn²⁺的溶劑化結構

山東大學熊勝林、齊魯工業大學周國偉等在低成本水系電解液中引入了一種生物相容性添加劑–L-天冬酰胺（Asp），以解決上述問題。研究顯示，加入Asp后，由于界面附近自發形成了高濃度電解液區，在Zn金屬表面形成了陽離子-陰離子和陽離子-分子復合物共生的有機-無機 SEI。這種獨特的界面層能極大地排斥周圍的活性水分子，防止水引起的副反應，從而實現了顯著抑制的枝晶生長和均勻的鋅沉積。

圖2 半電池性能

實驗結果表明，在含Asp的電解液中，非對稱電池在1600次循環中的平均CE值高達99.6%，而對稱電池則能在240小時內存活，鋅的利用率高達85.5%。

此外，Zn//PEDOT-V₂O₅全電池在超薄Zn負極（20 μm）和低正負容量比（≈2.4）的實際條件下，可在200次循環中提供4.62 mAh cm^-2的高平均容量，并保持84.4%的容量保持率。這項工作為開發高性能AZIB提供了陽離子-陰離子-分子共衍生SEI的深入見解。

圖3 全電池性能

Highly Reversible Zinc Metal Anodes Enabled by Solvation Structure and Interface Chemistry Modulation. Advanced Energy Materials 2023. DOI: 10.1002/aenm.202301670