在電流密度為10 mA cm-2、面積容量為35 mAh cm-2、DOD為65%的條件下，開放式可重復填充軟包電池的壽命大于4000 h，累計容量為1286 Ah。采用CarraChi凝膠電解質和可重復填充結構的Zn | |ZVO多層軟包電池具有高容量（0.9 Ah）和良好的循環(huán)穩(wěn)定性，在200次循環(huán)后可保持84%的容量。因此，該電池結構為建造實用大尺寸水系電池鋪平了道路，并將激發(fā)用于電網(wǎng)規(guī)模儲能的水系電池的新設計。
圖2. CarraChi凝膠電解質在Zn||ZVO紐扣電池和軟包電池配置中的應用（25 ℃）
Production of gas-releasing electrolyte-replenishing Ah-scale zinc metal pouch cells with aqueous gel electrolyte, Nature Communications 2023 DOI: 10.1038/s41467-023-39877-5
2. Journal of the American Chemical Society：面工程和孔設計促進析氧催化中的動態(tài)鐵交換，打破活性-穩(wěn)定性權衡
結果，形成局部高通量動態(tài)鐵平衡來提高OER。作為一種優(yōu)良的OER催化劑，該材料表現(xiàn)出了非常低的過電位(28.0 mV, 10 mA cm?2)和良好的長期穩(wěn)定性(130 h)。將該催化劑應用于鋅?空氣電池中，放電/充電電壓差為0.72 V，即使在使用170 h后也能穩(wěn)定保持。該工作表明，通過精確調整動態(tài)Fe活性位點，納米結構在同時提高OER活性和穩(wěn)定性方面具有巨大的潛力。
圖2. 可充電鋅空氣電池性能
Facet Engineering and Pore Design Boost Dynamic Fe Exchange in Oxygen Evolution Catalysis to Break the Activity–Stability Trade-Off, Journal of the American Chemical Society 2023 DOI: 10.1021/jacs.3c03481
?3. Small：具有優(yōu)異儲鋅性能的ZnTe@C納米線用于水系鋅電池具有優(yōu)異導電性和超高體積比容量的Te基材料是高性價比的水系鋅電池的研究熱點。然而，構建具有輕度體積膨脹和抑制穿梭效應的功能結構，從而延長壽命，對于轉換型材料來說仍然是一個挑戰(zhàn)。在此，湖南大學朱智強教授、顏子超等人合理設計了碳包覆碲化鋅納米線(ZnTe@C NWs)作為水鋅電池的高性能正極材料。碳包覆的一維納米結構不僅可以為電子和離子提供優(yōu)化的傳輸路徑，還可以在體積變化時保持結構的完整性，抑制中間體的溶解，從而提高ZnTe@C NWs的循環(huán)穩(wěn)定性和反應動力學。圖1. ZnTe@C NWs的結構表征總之，該工作提出了碳包覆的一維納米結構，可以延長水鋅電池的壽命并優(yōu)化轉化型ZnTe電極材料的反應動力學。研究表明，一維ZnTe@C NWs的設計縮短了電子和離子的傳遞路徑，可以有效地提高反應活性，加快反應動力學。其次，薄碳層既能提高ZnTe的電子導電性，又能很好地適應體積變化，抑制活性物質的溶解。最后該材料實現(xiàn)了ZnTe的可逆六電子轉換機制(從ZnTe到Te和Te到TeO2)，具有超高的理論容量(高達829mAh g-1)。具體而言，本文設計的碳包覆一維納米結構保證了結構的完整性，抑制了循環(huán)過程中粒子粉碎和穿梭效應導致的活性物質損失，為設計先進的水系電池轉化型材料提供了新的思路。圖2. 電池性能Rationally Designed ZnTe@C Nanowires with Superior Zinc Storage Performance for Aqueous Zn Batteries, Small 2023 DOI: 10.1002/smll.202304916
Na2FePO4F具有優(yōu)異的結構穩(wěn)定性、易于Na+實現(xiàn)轉移的二維離子通道和較高的工作電壓，在高性能儲鈉方面表現(xiàn)出巨大的潛力。盡管前景廣闊，但是其低本征電子電導率和有限的活性Na位點導致其倍率性能與可逆容量不甚理想，這將阻礙Na2FePO4F的實際應用前景。因此，提高Na2FePO4F的本征電子電導并進一步激活非活性Na位點以實現(xiàn)優(yōu)異電化學性能至關重要。在此，浙江大學姜銀珠教授和西湖大學盧星宇研究員等人通過Cu摻雜減弱Na1-O/F結合力，降低了Na1周圍欠配位的O2對其的影響，降低了Na位點的脫插電位，激活了Na2FePO4F中部分惰性Na1位點，導致惰性Na1活化到Na3位點。此外，帶隙大大減小，從而提高了本征電子導電性。圖1. Na2FePO4F和FeCu-x的結構表征具體而言，該工作通過晶格摻雜實現(xiàn)了氟磷酸鹽中Na位點和電子結構的調控。Cu2+的取代，誘導了Na1-O/F的鍵長拉長，減弱了Na1周圍欠配位的O2對其的影響，從而降低了Na位點的脫出電位，使部分惰性Na1位點被激活。此外，帶隙大大減小，從而提高了本征電子電導率。由此得到的FeCu-0.05在0.1C具有119 mAh g-1，并且具有優(yōu)異的倍率性能。特別地，該工作在20 C的超高倍率下達到了74.3 mAh g?1。該結果為深入了解氟磷酸鹽的儲鈉行為提供了新的見解，并為開發(fā)先進的嵌入型鈉離子電池正極材料提供了新的設計策略。圖2. Na2FePO4F和FeCu-0.05的電化學性能Activating the Inert Na1 Sites in Na2FePO4F Toward High Performance Sodium Storage, Advanced Functional Materials 2023 DOI: 10.1002/adfm.202305109
室溫鈉硫電池（SSB）的電化學性能受限于緩慢的反應動力學和以多硫化鈉（SPS）形式出現(xiàn)的硫損失。在此，蘭州大學周金元教授&巴塞羅那大學Andreu Cabot教授等人詳細介紹了利用電紡絲和水熱工藝相結合的方法在CNF表面生長CoFe2O4、VO2和Co3O4粒子的過程。同時，該工作系統(tǒng)地探討了所制備的正極材料在外加磁場下通過調頻和順磁催化劑催化多硫化鈉（SPSs）的過程。DFT計算表明，在磁場作用下，SPS 在調頻催化劑上的吸附能增加，SPS轉化的動力學勢壘降低。實驗結果都表明，CoFe2O4中的自旋極化Co離子提高了吸附SPS的能力和SPS轉化的電催化活性。這些優(yōu)勢使得基于CNF/CoFe2O4/S的固態(tài)電池（SSB）具有前所未有的比容量、倍率能力和穩(wěn)定性。圖1. M開或M關時CNF/CoFe2O4電極的電化學性能總之，該工作通過電子自旋極化，在不增加能量成本的情況下，永磁體產(chǎn)生的外磁場（M on）可以顯著提高鐵磁性硫宿主的SPSs吸附能力和反應動力學。更具體地說，在M on時，該工作詳細介紹了在常溫下具有前所未有的性能和穩(wěn)定性的碳納米纖維/CoFe2O4/S（CNF/CoFe2O4/S）正極的制備方法。實驗和理論證明，磁場可極化 Co離子的電子，從而增強對SPSs的吸附及其催化轉化。具有自旋極化功能的 CNF/CoFe2O4/S正極在1.0 C下可持續(xù)2700個循環(huán)，每個循環(huán)的衰減率低至 0.0039%。對SSB的性能進行了進一步測試，當M開啟時，在1.0 C下循環(huán)100次后，SSB的電量為248 mAh g-1。此外，研究還證明，即使移除外部磁場，磁極化效應依然存在，因此該項研究不僅展示了一種提高SSB電化學性能的有效策略，還有助于豐富自旋效應在電催化領域的應用。圖2. 磁場強度和溫度對電池性能的影響Sodium-Sulfur Batteries with Unprecedented Capacity, Cycling Stability and Operation Temperature Range Enabled by a CoFe2O4 Catalytic Additive Under an External Magnetic Field, Advanced Functional Materials 2023 DOI: 10.1002/adfm.202305908
基于多相硫轉化反應的鋰硫電池(Li-S)具有優(yōu)異的理論比容量(1675 mAh g-1)、比能量密度(2600 Wh kg-1)、環(huán)境友好性和經(jīng)濟效益，被認為是鋰離子電池的理想候選者。然而，鋰硫電池的大規(guī)模應用仍然受到多硫化物(LiPSs、Li2S4-8)穿梭效應和氧化還原動力學緩慢的阻礙，硫利用率和循環(huán)壽命不理想。在此，中南大學周亮君教授團隊提出了一種新型高性能TiO2異相結催化劑的合成方法。以碳化鈦納米片為模板材料，聚多巴胺為包覆材料，經(jīng)特定溫度燒結成功制備富氧空位TiO2銳鈦礦/金紅石異相結（A/R-TiO2）。理論計算表明，費米能級處伴隨著電子態(tài)的連續(xù)分布表示A/R-TiO2具有金屬特性。相比于銳鈦礦（A-TiO2）和金紅石（R-TiO2），A/R-TiO2的導電性顯著提高。此外，A/R-TiO2異質界面處電荷的快速轉移能夠實現(xiàn)LiPSs的有效錨定和催化轉化，降低Li2S分解能壘至幾乎為零(0.09 eV )。將A/R-TiO2催化劑用作鋰硫電池隔膜修飾劑，顯著提高了電池性能。圖1. 電子結構表征總之，該工作成功設計了具有豐富氧空位的TiO2銳鈦礦/金紅石異相結作為鋰硫電池隔膜修飾劑。實驗表征和理論計算表明，富氧空位且近乎完美的晶格匹配不僅有利于提高TiO2異相結的導電性，而且有利于硫氧化還原動力學的增強。即使在高硫載量3.75 mg cm-2下，使用A/R-TiO2改性隔膜鋰硫電池在0.1 C和1 C的比容量分別高達1210 mAh g-1和689 mAh g-1。此外，采用A/R-TiO2改性隔膜的軟包電池具有穩(wěn)定的電化學性能，該工作為界面能帶工程在鋰硫電池中的應用提供了新的方向。圖2. 鋰硫電池的電化學性能Integrating Energy Band Alignment and Oxygen Vacancies Engineering of TiO2 Anatase/Rutile Homojunction for Kinetics-Enhanced Li–S Batteries, Advanced Functional Materials 2023 DOI: 10.1002/adfm.202305788
釩酸鹽氧化物具有低廉的價格和較高的理論容量，是水系鋅離子電池（AZIB）極具競爭力的正極材料。然而，目前存在的Zn2+離子遷移緩慢、電導率弱、柔性電極制備復雜等問題阻礙了其在柔性AZIB (FAZIBs)中的實際應用發(fā)展。在此，中科院蘇州納米所王永疆和張其沖&新疆大學吳冬玲&東南大學李雷等人提出鈉離子與聚苯胺共嵌入策略，通過水熱原位生長制備了Na+和聚苯胺共插層釩氧化物(NaNVO-PANI)正極材料，實現(xiàn)了高離子傳導和儲存的柔性鋅離子電池。其中，Na+離子與帶負電的VOx層板間的靜電作用穩(wěn)定了層結構；聚苯胺將材料的層間距擴大到了13.8 ?，這為Zn2+的嵌入/脫出提供了便利的通道。同時聚苯胺分子增加了活性材料的疏水性，從而抑制了NaNVO-PANI在水系電解液中的溶解。圖1. DFT計算總之，該工作采用金屬離子和有機分子共插層策略，設計并合成了Na+和苯胺分子共插層釩氧化物。從NaNVO-PANI的形貌結構可見，NaNVO-PANI層間距增加到13.8 ?。電化學測試進一步驗證了大的層間距為Zn2+的快速脫嵌提供了通道。一方面，Na+與帶負電VOx層板間的靜電吸引力可以穩(wěn)固層板；另一方面，有機分子進一步擴大層間距，增加Zn2+的儲存位點并加速Zn2+擴散。組裝成FAZIBs進行測試，在0.5 A g?1時，電池提供了約454.6 mAh g?1的放電容量，在5 A g?1的大電流密度下也實現(xiàn)了228.27 mAh g?1的放電比容量，具有保持50.3%的容量保持率。因此，這項研究提供了一種新型的NaNVO-PANI作為FAZIB獨立正極的層間工程設計，并進一步促進了可穿戴電子產(chǎn)品的快速開發(fā)。圖2. 柔性水系鋅離子電池電化學性能Sodium-Ion and Polyaniline Co-Intercalation into Ammonium Vanadate Nanoarrays Induced Enlarged Interlayer Spacing as High-Capacity and Stable Cathodes for Flexible Aqueous Zinc-Ion Batteries, Advanced Functional Materials2023 DOI: 10.1002/adfm.202305700
