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【做計算找華算】理論計算助攻頂刊，10000+成功案例，全職海歸技術(shù)團隊、正版商業(yè)軟件版權(quán)！

1. 鄭大曲干/張佳楠NML：量子自旋交換相互作用加速鋰硫電池的氧化還原動力學(xué)

電池頂刊集錦：陸俊、吳興隆、李林森、張乃慶、曲干、孫正明、趙光宇、閆春澤、趙永杰、王書華等成果！

電催化劑的自旋工程被用來抑制鋰硫電池中的”穿梭效應(yīng)”。量子自旋交換相互作用可優(yōu)化自旋選擇、自旋電子遷移率和活化勢壘中的自旋電位，從而顯著降低催化劑軌道中的電子排斥。

圖1. 材料表征

鄭州大學(xué)曲干、張佳楠等證明了通過操縱MgPc的自旋極化電子可以顯著加快鋰離子電池的轉(zhuǎn)化動力學(xué)。具體而言，這項工作通過將MgPc錨定在氟化碳納米管基體（簡稱MgPc@FCNT）上，提出了F配位策略來調(diào)節(jié)鎂位點的電子分布和能級排列。根據(jù)密度泛函理論（DFT）計算，MgPc@FCNT中的電子自旋極化不僅增加了對多硫化物中間體的吸附能量，還促進了鋰硫電池中電子的隧穿過程。

圖2. 對多硫化物的催化轉(zhuǎn)化

因此，MgPc@FCNT在鋰硫電池中表現(xiàn)出長期循環(huán)穩(wěn)定性，在2 C條件下的1000 次循環(huán)中，每次循環(huán)的超低容量衰減僅為0.029%。特別是，即使在4.5 mg cm^-2的高硫負(fù)載下，經(jīng)過100次循環(huán)后仍能保持5.1 mAh cm^-2的高可逆面容量。這項工作為擴展主族單原子催化劑以實現(xiàn)高性能鋰硫電池提供了一個新的視角。

圖3. 鋰硫電池性能

Quantum Spin Exchange Interactions to Accelerate the Redox Kinetics in Li–S Batteries. Nano-Micro Letters 2024. DOI: 10.1007/s40820-023-01319-8

2. 東南大學(xué)孫正明/潘龍EnSM：利用雙功能ZnTe實現(xiàn)鋅陽極保護和轉(zhuǎn)換型陰極，開發(fā)兼容的水系鋅離子電池

水系鋅離子電池（AZIBs）為電網(wǎng)規(guī)模的能源存儲提供了一種極具吸引力的解決方案，但在尋找相互兼容的先進鋅陽極和陰極方面卻面臨著巨大挑戰(zhàn)。

圖1. ZnTe的合成與表征

東南大學(xué)孫正明、潘龍等提出了一種多功能材料–碲化物（特別是 ZnTe），它可以同時作為鋅陽極保護層和陰極材料，具有極佳的兼容性和性能。理論計算證明，ZnTe具有優(yōu)異的物理化學(xué)特性，包括高電子傳導(dǎo)性、良好的Zn²⁺吸附和擴散性以及Zn²⁺吸收/釋放時的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，這些特性對于鋅陽極保護和Zn²⁺儲存都至關(guān)重要。實驗結(jié)果證實，ZnTe能有效保護鋅陽極，防止枝晶生長和表面腐蝕，同時促進快速鋅沉積/剝離動力學(xué)。

圖2. 枝晶生長和表面腐蝕觀察

結(jié)果，鋅陽極在1 mA cm^-2的條件下具有3100小時的循環(huán)壽命，且電壓滯后極小，僅為38 mV。此外，ZnTe陰極呈現(xiàn)出ZnTe?ZnTe2?Te的轉(zhuǎn)換反應(yīng)機制，具有出色的平臺容量。另外，作者還通過組裝全電池證明了ZnTe基陽極和陰極之間的良好兼容性，這種電池具有優(yōu)異的循環(huán)能力（在2 A g^-1的條件下，經(jīng)過1000次循環(huán)后容量保持率為80%）。該工作為AZIBs的兼容和先進電極材料提供了總體設(shè)計指南。

圖3. 全電池性能

Exploiting Bifunctional ZnTe for Zn Anode Protection and Conversion-Type Cathode Toward Compatible Aqueous Zn-Ion Batteries. Energy Storage Materials 2024. DOI: 10.1016/j.ensm.2024.103228

3. 上海交大李林森AEM：通過實驗室制備的Ah級軟包電池加速電池材料研究

電池材料研究對于下一代電池的開發(fā)至關(guān)重要。然而，從實驗室規(guī)模研究（通常以克為單位）到工業(yè)相關(guān)研究（即公斤級）的過渡，一直受制于放大合成方面的挑戰(zhàn)，以及缺乏可靠的方法來驗證實驗室制備材料的電化學(xué)性能。

圖1. 通過實驗室制備的軟包電池加速電池材料研究

上海交通大學(xué)李林森等展示了一種方法，可對實驗室規(guī)模的電池材料（重量小于5克）進行亞Ah級軟包電池評估。研究發(fā)現(xiàn)，通過制備具有適當(dāng)粘度和固體含量的合格漿料，無需使用復(fù)雜的涂布機，就能在研究實驗室生產(chǎn)出緊湊、均勻的電池電極。

這項工作提供了詳細(xì)的軟包電池組裝工藝，并通過在實驗室自制的軟包電池中評估幾種不同的鋰離子陰極材料和一種鈉離子陰極材料，驗證了這種方法的有效性和可靠性。實驗顯示，重復(fù)的NCA-石墨電池在經(jīng)過1000次充放電循環(huán)后仍能保持84.29±0.16%的初始容量，這充分說明該方法具有顯著的電化學(xué)性能和一致性。

圖2. 電池漿料和電極的制備示意圖

作者通過在工作電池側(cè)面引入一個LFP基輔助電極（AE）和一個銅電極，進一步開發(fā)了四電極軟包電池。通過利用AE_LFP中的鋰離子在銅電極上沉積鋰金屬，可生產(chǎn)出長壽命的參考電極（RE_Li）。四電極設(shè)計可實現(xiàn)對工作陰極和工作陽極的在線監(jiān)測，例如它們各自的SOC（有助于確定合適的N/P比）和電化學(xué)阻抗，以及陽極側(cè)析鋰的臨界倍率。此外，還可以通過跟蹤RE_Li和AE_LFP之間的電壓差來監(jiān)測RE_Li的健康狀況，利用AE_LFP的鋰離子重新沉積鋰金屬，可以方便地修復(fù)退化的RE_Li，這大大延長了RE_Li的使用壽命，并能在長期循環(huán)過程中進行電化學(xué)監(jiān)測和電池診斷。

此外，四電極軟包電池將來還可以與超聲波成像或X射線成像技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)電池材料的多模式表征。該方法適用于多種電池材料，能加速識別有潛力的電池材料，并有效提高其技術(shù)成熟度。

圖3. 軟包電池裝配示意圖

Catalyzing Battery Materials Research via Lab-Made, Sub-Ampere-Hour-Scale Pouch Cells, and Long-Term Electrochemical Monitoring by a Reparable Reference Electrode. Advanced Energy Materials 2024. DOI: 10.1002/aenm.202304512

4. 哈工大張乃慶/趙光宇A(yù)EM：基于區(qū)域偏析的多功能雙層穩(wěn)定無枝晶固態(tài)鋰電

鋰的不均勻沉積和電解液中Li⁺的減少所引發(fā)的鋰枝晶問題嚴(yán)重阻礙了石榴石基固態(tài)電池的實際應(yīng)用。

圖1. Li和LLZTO之間的界面示意圖

哈爾濱工業(yè)大學(xué)張乃慶、趙光宇等在石榴石和鋰陽極之間引入了基于焊接過程中偏析現(xiàn)象的多功能雙層（MDL）, 以解決這一問題。具體而言，這項工作通過調(diào)節(jié)冷卻速度，構(gòu)建了具有雙層結(jié)構(gòu)的BiLi₃/LiCl₃夾層。

研究顯示，電解質(zhì)一側(cè)富含的LiCl₃具有極低的電子傳導(dǎo)性，可有效阻擋電子并防止電解質(zhì)侵蝕。在陽極側(cè)，富含BiLi₃的層可調(diào)節(jié)局部電流分布，確保鋰的均勻沉積/剝離，并防止在界面上形成枝晶。此外，這種基于焊接的制備方法實現(xiàn)了金屬電極和陶瓷電解質(zhì)之間牢固安全的連接。

圖2. 界面和臨界電流密度研究

因此，這種具有雙層特殊結(jié)構(gòu)界面修飾的Li|LLZTO-MDL|Li電池可實現(xiàn)2.9 mA cm^-2的高臨界電流密度，并可在0.3 mA cm^-2下穩(wěn)定循環(huán)10000小時以上。這些優(yōu)異的電化學(xué)性能凸顯了通過區(qū)域偏析形成的多功能雙層界面在解決鋰枝晶問題方面的顯著效果。因此，這種簡單有效的制備方法在開發(fā)基于石榴石的高性能固態(tài)電池方面具有巨大潛力。

圖3. 對稱電池和全電池性能

Multifunctional Double Layer Based on Regional Segregation for Stabilized and Dendrite-Free Solid-State Li Batteries. Advanced Energy Materials 2024. DOI: 10.1002/aenm.202304112

5. 華科閆春澤/方淳EnSM：利用多位點錨定效應(yīng)調(diào)節(jié)鋅粉表面的局部化學(xué)環(huán)境，實現(xiàn)高穩(wěn)定的鋅陽極

水系可充鋅離子電池（ZIB）因其安全性高、充放電速度快、成本低以及可直接利用鋅金屬陽極而備受關(guān)注?；阡\粉（Zn-P）的陽極被認(rèn)為是鋅基電池的理想候選材料，因為它們通過設(shè)計N/P比，在安全性和能量密度方面實現(xiàn)了積極的協(xié)同整合。然而，Zn-P陽極仍存在易腐蝕、析氫和枝晶生長失控等問題，這限制了其進一步應(yīng)用。

圖1. 對稱電池性能及形貌演化

華中科技大學(xué)閆春澤、方淳等將聚乙二醇二丙烯酸酯（PEGDA）水凝膠與鋅粉相結(jié)合，獲得了一種新型Zn-PD 陽極。研究發(fā)現(xiàn)，PEGDA具有豐富的酯基，可通過多位氫鍵錨定游離水。此外，酯基還能與Zn²⁺配合，改變周圍溶劑化的H₂O的氫鍵結(jié)構(gòu)。因此，在Zn-PD陽極可觀察到相對光滑平整的沉積表面。此外，Zn-PD陽極中Zn²⁺的剝離和沉積過程中的產(chǎn)氣也減少了。

圖2. Zn//NVO全電池性能

實驗顯示，在Zn-PD//Zn-PD對稱電池中，Zn-PD電極在1 mAh cm^-2的條件下可進行長達200小時的鋅沉積/剝離循環(huán)，且過電位低至0.120 V，這與裸鋅在電化學(xué)循環(huán)過程中明顯較大的過電位（>0.5 V）和電壓波動形成了鮮明對比。因此，在鋅離子電池的商業(yè)化過程中，使用具有多種強氫鍵受體的添加劑來抑制水引起的鋅陽極寄生反應(yīng)前景廣闊。

圖2. 分子動力學(xué)模擬

Regulating the local chemical environment of Zn powder surface by multi-site anchoring effect to achieve highly-stable Zn anode. Energy Storage Materials 2024. DOI: 10.1016/j.ensm.2024.103229

6. 趙永杰/陸俊/袁軒一AFM：基于構(gòu)型熵的高性能鈉離子電池聚陰離子陰極

聚陰離子鈉離子陰極因其出色的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性而備受關(guān)注。然而，低比容量仍然是阻礙其實際應(yīng)用的一個亟待解決的問題。

圖1. Me-NVMP的設(shè)計

北京理工大學(xué)趙永杰、浙江大學(xué)陸俊、中國人民大學(xué)袁軒一等提出了一種中熵NASICON結(jié)構(gòu)陰極Na_3.5V_0.5Mn_0.5Fe_0.5Ti_0.5(PO₄)₃（Me-NVMP）。該陰極結(jié)合了V、Mn、Fe和Ti電化學(xué)活性元素的優(yōu)勢，具有高能量密度的Na⁺儲存性能和快速充電特性。結(jié)果，該陰極實現(xiàn)了Ti³⁺/Ti⁴⁺、Fe²⁺/Fe³⁺、V³⁺/V⁴⁺/V⁵⁺和Mn²⁺/Mn³⁺/Mn⁴⁺偶聯(lián)的高可逆氧化還原反應(yīng)（1.8-4.4 V），并有效緩解了MnO₆ Jahn-Teller畸變引起的結(jié)構(gòu)退化和4.0 V（vs. Na+/Na）以上的不可逆結(jié)構(gòu)變化。

圖2. Me-NVMP電極的電化學(xué)性能

實驗顯示，Me-NVMP在0.1 C時實現(xiàn)了165.8 mAh g^-1的高可逆比容量。更令人印象深刻的是，Me-NVMP通過調(diào)節(jié)NASICON中的構(gòu)型熵產(chǎn)生了超強的倍率能力和循環(huán)穩(wěn)定性。具體來說，Me-NVMP陰極在100C（17 A g^-1）下循環(huán)10,000次后，容量保持率可達83.5%。此外，即使在0℃的溫度下（在20 C下經(jīng)過1000次循環(huán)后的容量保持率為93.45%），這種陰極也具有出色的循環(huán)性能。這項工作為設(shè)計高性能聚陰離子電極材料提供了新策略。

圖3. Me-NVMP//HC全電池性能

A Configuration Entropy Enabled High-Performance Polyanionic Cathode for Sodium-Ion Batteries. Advanced Functional Materials 2024. DOI: 10.1002/adfm.202314019

7. 山東大學(xué)王書華/劉宏EEM：通過低極性助溶劑調(diào)節(jié)電解液溶劑化結(jié)構(gòu)，用于低溫鋅離子電池

水系鋅離子電池因成本低、安全性高而被視為大規(guī)模儲能系統(tǒng)的理想候選材料，但其低溫性能較差，限制了其應(yīng)用。

圖1. 電解液表征

山東大學(xué)王書華、劉宏等在Zn(ClO₄)₂的水溶液中加入了低極性、低粘度的二甘醇（DGM），從而構(gòu)建了一種低溫電解液。研究顯示，當(dāng)DGM與水的體積比為6:4 (DGM60)時，電解液的凝固點降至-105℃，且在-45℃時離子電導(dǎo)率為16.18 mS cm^-1。

光譜分析和分子動力學(xué)模擬驗證了DGM和ClO₄-調(diào)節(jié)了Zn²⁺的內(nèi)溶劑化結(jié)構(gòu)，該溶劑化結(jié)構(gòu)更有利于Zn²⁺的解溶劑化。得益于DGM和ClO₄-對氫鍵網(wǎng)絡(luò)的破壞和對溶劑化結(jié)構(gòu)的調(diào)控，陽極上的枝晶、析氫反應(yīng)和副產(chǎn)物都得到了抑制。

圖2. 半電池性能

結(jié)果，在電流密度為1 mA cm^-2和容量為1 mA h cm^-2的條件下，Zn||Zn電池在25℃下可循環(huán)使用1600小時，在-20℃下可循環(huán)使用5200小時。此外，在-20℃時，Zn|||Cu在1 mA cm^-2和1 mA h cm^-2條件下的庫侖效率高達99.9%。

另外，在1 A g^-1的條件下，鋅||聚苯胺（PANI）電池在25℃的初始放電容量為100.0 mA h g^-1，在-20℃的初始放電容量為88.8 mA h g^-1。并且，Zn||PANI電池具有10000次的超長循環(huán)壽命，且無容量衰減。即使在-50℃，Zn||PANI電池也能穩(wěn)定循環(huán)600次，容量保持率達98.5%。這項研究為今后設(shè)計具有高離子電導(dǎo)率和低溫易脫溶劑化的可充電池電解液提供了啟示。

圖3. 全電池性能

Modulating the Electrolyte Inner Solvation Structure via Low Polarity Co-solvent for Low-Temperature Aqueous Zinc-Ion Batteries. Energy & Environmental Materials 2024. DOI: 10.1002/eem2.12707

8. 東北師大吳興隆 Angew：具有低應(yīng)變和約束相變的熵調(diào)節(jié)陰極，實現(xiàn)超長壽命水系鋁離子電池

在多價離子插入過程中，電荷載流子與宿主之間強烈的靜電相互作用使得高性能的可逆鋁離子存儲仍然是一個難以實現(xiàn)的目標(biāo)。由于強大的靜電排斥力和較差的魯棒性，包括普魯士藍(lán)類似物（PBAs）在內(nèi)的金屬有機框架在可逆的Al³⁺插入過程中不可避免地受到巨大應(yīng)變和相變的嚴(yán)重影響。

圖1. ME-PBAs的表征

東北師范大學(xué)吳興隆等使用熵產(chǎn)生策略設(shè)計了具有各種氧化還原活性金屬元素的結(jié)構(gòu)增強介質(zhì)熵普魯士藍(lán)類似物（ME-PBAs）框架，用于高水平的強靜電相互作用鋁離子存儲。以Mn-PBAs為例，各種過渡金屬元素協(xié)同增強了其電化學(xué)性能，主要體現(xiàn)在工作電壓、比容量和長循環(huán)壽命方面。

更重要的是，共占Ni/Co/Cu/Mn元素可將Mn-PBAs 的熵值提升到中熵水平，因此，強化的晶體結(jié)構(gòu)有利于鋁離子的可逆擴散，且 PBAs不會發(fā)生明顯的相變。根據(jù)非原位XRD結(jié)果，制備的ME-PBAs陰極在插入Al³⁺時具有低應(yīng)變固溶行為，電池參數(shù)變化率僅為1.2%。此外，PBAs框架內(nèi)間隙水分子數(shù)量的減少也會降低靜電相互作用阻抗。

圖2. ME-PBAs陰極的性能

因此，ME-PBAs陰極在0.05 A g^-1放電條件下可達到110.5 mAh g^-1的高放電比容量，并具有超長的循環(huán)壽命（在1.0 A g^-1條件下循環(huán)10,000次后容量保持率為66.9%）。在放電/充電過程中，電容型擴散過程占主導(dǎo)地位，這表明鋁離子在PBAs框架中的轉(zhuǎn)移速度加快。

此外，結(jié)合MoO₃陽極，作者還組裝出了鋁離子全電池裝置，其在0.5 A g^-1電流條件下，其比容量為60.9 mAh g^-1，600次循環(huán)后容量保持率為89.7%。這項工作為基于熵調(diào)節(jié)策略開發(fā)高性能水性多價離子電池（尤其是AIBs）的陰極材料提供了重要啟示。

圖3. MoO₃//ME-PBAs電池性能

Entropy-Regulated Cathode with Low Strain and Constraint Phase-Change Toward Ultralong-Life Aqueous Al-Ion Batteries. Angewandte Chemie International Edition 2024. DOI: 10.1002/anie.202316925

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