北京大学潘锋教授团队2023年在电池领域的代表性研究成果

潘锋教授，北京大学讲席教授，博士生导师，北京大学深圳研究生院副院长和新材料学院创院院长。潘锋教授于1985年毕业于北京大学化学系，1988年在中科院福建物构所获得硕士学位，1994年在英国Strathclyde大学获得博士学位，并获得最佳博士论文奖，同年在瑞士ETH从事博士后研究。他长期致力于结构化学和材料基因的探索、电池和催化材料结构与性能及应用研究，发表了包括Nature，Nature Energy、Nature Nanotech、Joule、JACS 等内的SCI代表性论文300余篇。2020年任《结构化学》杂志的执行主编，获2021年获“中国电化学贡献奖”、2018年美国电化学学会电池滚球体育 奖与2016年国际电动车锂电池协会杰出研究奖。（以上内容参考自：北京大学官网）

以下是潘锋教授团队2023年在电池领域发表的一些重要的研究成果。

正极材料：

1、Energy & Environmental Science：表界面梯度氟化稳定的4.6 VLiCoO₂高压快充长循环

LCO材料是消费类电子产品的首选锂离子电池正极。然而，高电压下LCO的界面不稳定性及深度脱锂状态下Li⁺的高通量扩散导致的不良相变，极大限制了其在高压快速充电方面的应用。在此，该工作首次发展提出表界面梯度氟化策略，显著提升了4.6 V高压LCO（F-LCO）的快充长寿命性能。通过多种表征技术系统探究了高电压快充LCO的表界面氟化重构稳定机制，所制电极具有~1 nm致密超薄LiF覆盖层和10~20 nm近表面梯度氟化晶格结构，这为近表面晶格氧提供了极强的稳定性。并结合原位电化学阻抗和DFT计算从理论上揭示了Co-F键中的反键轨道电子转移键合增强机制在脱锂接近4.6 V时极大地抑制了钴的迁移，同时具有增强电荷转移能力的高能垒富氟界面有效阻止了高价氧物种（O^n-，02”为题发表在Energy & Environmental Science上。DOI: 10.1039/d3ee03464j。

2、Adv. Mater.: 层状富镍正极中引入榫卯结构提升锂离子扩散并抑制层结构降解

锂离子电池由于其诸多方面的优势，在便携式电子设备、电动汽车和智能电网系统等方面起着越来越重要的作用。富镍层状氧化物是锂离子电池最有前途的正极材料之一，但循环过程中的层结构降解和较大的首次不可逆容量损失阻碍了它们在高能量电池中的应用。该工作首次提出，在富镍层状材料中引入尖晶石状榫卯结构来克服充放电过程中体积变化导致的层结构机械降解问题。同时，由于具有高离子传导能力的晶界和尖晶石被引入到颗粒内部，从而避免了首次不可逆容量损失，这一点得到了实验和理论的共同验证。此外，由于构造榫卯结构时层结构的独特排列方式，所得颗粒通常暴露最稳定的（003）晶面，从而降低材料与电解液的副反应。由于榫卯结构带来的以上几方面优势，因此，所得材料电化学性能大幅度提升。该成果以“Imitating Architectural Mortise-Tenon Structure for Stable Ni-Rich Layered Cathodes”为题，发表在Advanced Materials上。DOI：10.1002/adma.202301096

3、Advanced Materials：钴酸锂高压稳定的结构理解

在锂离子电池(LIBs)中，LCO结构固有的高压不稳定性是其电化学行为的基础和决定因素，而提高工作电压对LCO容量和能量密度的提高是唯一有效的，但会受到LCO结构固有高压不稳定性的抑制。这激发了对LCO结构稳定性的广泛研究。该综述着重从长期的研究中了解LCO正极的基本结构。揭示并详细阐明了LCO体相和表面的多尺度结构以及各种结构问题及其成因和相应的稳定化策略及其具体机理，这必将加深和推进人们对LCO结构的认识，进一步深化其与电化学性能的内在关系。并在此基础上指出了LCO结构稳定研究中存在的问题和未来发展的机遇。该综述以题目为“Structural Understanding for High-Voltage Stabilization of Lithium Cobalt Oxide”的论文发表Advanced Materials上。DOI:10.1002/adma.202307404

4、Angewandte Chemie: 提高钴酸锂表面电子导电性

快速电子和离子传输对开发快充电池至关重要，但受限于复杂的物理化学过程。优化电池材料以提高导电性和离子扩散性能是实现这一目标的关键。潘锋团队通过通过在钴酸锂正极表面构建高电导率界面，从而在实现了单个颗粒上更高的有效电压，促进了锂离子的更有效的脱嵌，从而有效提升了界面的动力学性能。实验结果表明，这种方法不仅提升了容量和倍率性能，稳定的界面还使其保持了优异的循环稳定性（在10 C下循环1000圈达到93 %的保持率），这归因于岩盐层的内在结构稳定性和和良好的电子传导和离子渗流网络。该成果为快速充电锂离子电池的高性能正极材料的设计提供了崭新的视角。该成果以“Promoting Surface Electric Conductivity for High-Rate LiCoO₂”为题，发表在AngewandteChemie上。DOI: 10.1002/anie.202218595

5、ACS Nano 利用阳离子插层化学催化电池中的转化型反应

催化反应在化工生产、制药以及废物处理等各方面都有广泛应用。电化学催化反应主要依赖于氧化还原反应中间体作为电荷转移媒介降低反应能垒，在电化学储能系统中同样存在氧化还原反应中间体协助电荷转移从而达到降低反应过电位的目的。转化型反应体系具有非常可观的能量密度，然而这些体系中的反应物和产物导电性差，从而导致了高的过电位、低的能量利用效率以及差的循环和倍率性能。本文展示一种简单且经济高效的方法，即通过将层状的LiCoO₂进行电化学脱锂后形成Li_1-xCoO₂，与Na₂CO₃发生化学反应，自发在层间嵌Na+形成Na_yLi_1-xCoO₂氧化还原反应中间体，促进了Na₂CO₃的分解转化反应。不同于传统的依赖于表面有限位点吸脱附来进行的催化反应，本文揭示了一种基于体相中阳离子插层反应的电化学氧化还原介体（redox mediator）。该研究发现不仅可用于降低Na-CO₂电池的充放电反应过电位，同时还可用于钠离子电池的补钠操作。该研究发现也为未来开发利用更多新型的储能材料体系提供了可能。该成果以“Exploiting Cation Intercalating Chemistry to Catalyze Conversion-Type Reactions in Batteries”为题，发表在ACS Nano上，DOI： 10.1021/acsnano.2c11029.

6、AdvancedEnergy Materials：表面岩盐相作为有效的O捕获层提高钴酸锂高压稳定性

提高LCO充电截止电压是实现更高能量密度的有效途径，然而这通常引起一系列问题，特别是表面附近的O损失、Co溶解和界面溶剂分解，同时表面会发生结构退化，即LiCoO₂→ Co₃O₄→ CoO，这导致表面电阻急剧增加。该工作通过在层状钴酸锂表面构建盐岩相层，成功地增强了LCO的结构稳定性，详细揭示了表面盐岩相层在捕获充电时迁移的晶格O离子方面起着重要作用，这导致了表面从惰性盐岩相到高导离子的尖晶石相的渐进相变。这种渐进相变不仅减少了钴酸锂表面的氧释放，增强了Li+的传输动力学，并且在4.6 V以上的条件下抑制了体相的H1-3分离。得益于氧释放和副反应的减少，以及表面Co-O晶格结构的基本稳定，表现出优异的循环稳定性。该项研究成果以“Tuning Surface Rock-Salt Layer as Effective O Capture for Enhanced Structure Durability of LiCoO₂at 4.65 V”发表在AdvancedEnergy Materials上。DOI:10.1002/aenm.202303926

7、AdvancedEnergy Materals: 高熵界面提升钴酸锂高压稳定性

进一步提高电池的能量密度是其主要发展方向之一。提升充电截至电压可以成比例地增加容量，从而增加能量密度。然而，由于O2p-Co3d杂化，在高压下的混合氧化还原反应会导致晶格氧气逃逸。晶格氧逃逸会导致一系列的级联效应：促进电解质分解，形成较厚的阴极电解质界面(CEI)层；发生不可逆相变，层状结构(CoO₂)可能转变为尖晶石(Co₃O₄)，甚至岩盐(CoO)；氧逸出会导致阴极材料力学性能变差，导致晶格坍塌，从而导致LCO在高压下的性能严重下降。因此，防止晶格氧逃逸是开发长寿命高压LCO的关键。通过Mg-Al-Eu共掺杂，在钴酸锂界面原位诱导产生了一个近表层高熵区--无序岩盐壳层和掺杂剂偏析过渡层。这种高熵区可以抑制氧气产生和Co离子的溶解，从而阻止CEI的形成和近表面结构降解。同时，O3和H1-3之间的相变可逆性以及阴极的热稳定性也大大增强。结果表明，含高熵界面的钴酸锂表现出优异的高压循环稳定性。这种界面高熵策略丰富了开发具有高工作电压的高性能正极材料的途径。该成果以“High-entropy surface complex stabilized LiCoO₂cathode”为题，发表在Advanced Energy Materials上。DOI:10.1002/aenm.202300147

8、Advanced Energy Materials：非化学计量法促进质子Grotthuss传输

水性锌离子电池(AZIB)被认为是锂离子电池最有前途的替代品之一，最新的研究发现，质子通过可逆地嵌入正极材料而普遍参与电化学反应。因此，探索质子是如何通过正极的局部结构来传输和储存具有重要意义。本工作提出采用非化学计量法来解释质子/锌离子共嵌入的效率。与满化学计量比样品相比，Zn0.5Mn2O4中锌空位提供了隧道局部环境的调制，质子可以嵌入缺锌的8a位点并逐渐形成氢键网络，触发了质子的Grotthuss传输模式。这种非化学计量比的策略可以同时提高容量和循环稳定性，为解决优化水系锌离子电池正极中质子传输和存储的根本挑战提供了新的思路。该成果以“Modulating the Proton‐Conducting Lanes in Spinel ZnMn2O4 through Off‐Stoichiometry”为题发表在Advanced Energy Materials上。Doi: 10.1002/aenm.202203915。

9、Advanced Functional Materials：高压LiCoO₂在严苛充电过程中的容量加速衰减机制

在实际应用中，钴酸锂通常以恒定电流加恒定电压（CC+CV）的方式充电，以获得更高的容量。然而，CC+CV 程序的苛刻条件会导致 LCO 的容量加速衰减。基于此，团队首次揭示了在 4.6 V条件下使用 CC+CV 程序进行循环时 LCO 的衰减机制。与单纯 CC 充电相比，LCO 在 CC+CV 过程中的容量衰减加速可归因于体相结构和表面结构的破坏：i) CV 充电会引发更多的 H1-3 相分离，导致晶格位错、弯曲 Co-O 层的产生，最终在 LCO 颗粒内部产生体相微裂纹；ii) 在循环过程中，CV 充电会引起更多的副反应和更多的表面结构塌陷问题，包括形成厚的表面相变层（PTL）、导致更多的 Co 溶解、形成厚而松散的 CEI 层等，这严重增加了电荷转移阻力，降低了界面 Li⁺传输动力学。这项工作为研究衰减机理提供了新的视角，为设计更先进的 LCO 正极指明了新的途径。该成果以“Revealing the Accelerated Capacity Decay of a High-Voltage LiCoO₂upon Harsh Charging Procedure”为题，发表在Advanced Functional Materials上。DOI: 10.1002/adfm.202312837。

10、Advanced Functional Materials：4.6 V以上高耐用LiCoO₂的多重表面优化

近年来，提高钴酸锂（LCO）正极的充电截止电压以实现更高的容量发挥已成为目前进一步提升LCO容量的首选途径。表面优化被认为是提高LCO在4.6 V下循环稳定性的最有效策略。然而目前的研究主要集中在提高高压LCO在室温（25 °C）下的循环稳定性，关于LCO在高温工况下的循环寿命受到较少的关注。本工作揭示了LCO在高温下的结构稳定性恶化的两大原因：1) 高温下受到促进的体相Li⁺扩散动力学导致充电态LCO的荷电状态（SOC）更高，从而引发更多的副反应；2) 高温时更显著的表面结构坍塌阻断了Li⁺的传输通道。鉴于此，团队通过阴离子（F^-、PO₄^3-）和阳离子（Al³⁺）表面修饰结合亚表面尖晶石结构增强，有效抑制了常温与高温条件充电状态下商业化钴酸锂（C-LCO）的SOC的增加，减少了副反应程度。在极端的浮充测试条件下，表面优化在抑制副反应和裂纹产生方面也发挥了重要作用。该成果以“Multiple Surface Optimizations for a Highly Durable LiCoO₂beyond 4.6 V”为题，发表在Advanced Functional Materials上。DOI: 10.1002/adfm.202307913。

11、Advanced Functional Materials：高压钴酸锂材料的多维结构调控

钴酸锂正极材料在4.55V及以上高电压下存在体相和界面两种维度的衰减机制，分别对应与O3到H1-3相变过程中晶格参数突变引起的内应力导致的裂纹形成，以及有害的界面副反应的引发层状结构崩溃和形态破坏。该工作通过低成本的一步烧结工艺设计合成出具有多维结构改性的高压钴酸锂材料（Li_0.9Mg_0.05CoO₂），实现了体相和表面的同时修饰，包括:(1)Li层中引入Mg掺杂和Li/Co反位，稳定体相结构，抑制高压O3-H1-3相变并提高相变可逆性; (2) 表面Mg-O层的均匀涂层以及富含Mg柱效应的近表面区域，诱导构建坚固的富Mg-F的正极-电解质界面（CEI）以及薄层尖晶石相转变层，以保护界面结构。得益于抑制且可逆的H1-3相变和增强的表面结构，该材料在3-4.6V条件下实现优异的电化学循环稳定性及倍率性能。本工作为开发高压钴酸锂正极材料提供了一种新的结构调制途径与思路。相关成果以题为“One-step sintering synthesis achieving multiple structure modulations for high-voltage LiCoO₂” 的论文发表在Advanced Functional Materials上。DOI: 10.1002/adfm.202302622

12、Advanced Functional Materials：镧系收缩调控钴酸锂正极材料晶格应变

提升LiCoO₂的充电截止电压能够提升容量，但大量的锂离子脱出也会导致钴酸锂的结构稳定性受到严重破坏，从而使得其循环寿命较差。本文选择具有相似化学性质的7种镧系元素对钴酸锂进行掺杂，并阐述了离子半径如何影响Ln-LCOs的电化学性能。结合各种表征技术和理论计算，表明晶格应变是钴酸锂结构稳定性的描述符，而离子半径是晶格应变变化的启动剂。尽管Li层中电化学惰性的Ln离子可以作为支撑Co-O层的支柱，提升LiCoO₂的结构稳定性。但大尺寸的Ln阳离子掺杂会引起Ln-LCOs的晶格应变增加，所以掺杂了大尺寸Ln离子的Ln-LCOs，难以承受大量Li离子的脱出造成的结构恶化。随着镧系收缩，Ln离子半径逐渐减小， Ln-LCOs的电化学性能也随着镧系收缩而逐渐改善，尤其是Lu-LCO，它的电化学性能在所有Ln-LCOs中表现最好。因此，通过本文中所揭示的结构设计规则，再结合各种改性策略，在实际应用中可能实现破纪录的LiCoO₂电池性能。成果以“Lanthanide Contraction Builds Better High-Voltage LiCoO₂Batteries”为题发表在Advanced Functional Materials上。DOI: 10.1002/adfm.202212869

13、Advanced Functional Materials：玻璃/陶瓷Li₂TiO₃/Li_xB_yO_z类“SEI”在硫化物基全固态电池中增强4.5 V LiCoO₂

硫化物基全固态锂离子电池(ASSLIBs)由于其优异的离子导电性和固态电解质(SSEs)的不可燃性而被广泛认为是实现高安全性的方法。然而，SSEs的电势窗口过窄导致了严重的界面副反应，导致电池的快速降解。为此，本工作在LiCoO₂(LCO)上构建了玻璃/陶瓷类固体电解质界面(SEI)，以提高LCO与Li₁₀GeP₂S₁₂(LGPS) SSE之间的界面稳定性。其中，陶瓷Li₂TiO₃保证了类SEI的良好机械韧性，而玻璃Li_xB_yO_z加强了覆盖，以避免副反应。类SEI使得ASSLIB在4.3V的高充电电压下具有优异的循环和倍率性能，在0.2C下300次循环后容量保持率82.3%。当充电电压提高到4.5V时，该SEI也能实现理想的性能，初始容量为172.7mAh g-1，在0.2C下循环寿命200次。使得ASSLIB具有较小的极化和更好的性能。这项工作为玻璃/陶瓷类SEI策略提供了一个见解，以提高ASSLIB的界面稳定性。相关成果以题为“Glassy/Ceramic Li₂TiO₃/Li_xB_yO_zAnalogous “Solid Electrolyte Interphase” to Boost 4.5 V LiCoO₂in Sulfide-Based All-Solid-State Batteries” 的论文发表在Advanced Functional Materials上。DOI:10.1002/adfm.202210744

14、Energy Storage Materials: 电解液原位构建双保护层促进钴酸锂正极高压稳定循环

作为最受欢迎的正极材料之一，LiCoO₂(LCO)由于其高理论容量(274 mAh g⁻¹)，高体积能量密度和良好的Li⁺电子导电性而受到学术界和工业界的广泛关注。然而，目前实际使用的较低的安全电压 (4.25 V) 导致使得LCO正极只能发挥大约150 mAh g^-1的比容量，限制了其高能量密度应用。当充电电压高于4.5 V (vs. Li/Li⁺)时，体相结构的有害相变和表面高价态钴离子的溶出造成了LCO正极在高压下的结构坍塌和电池的失效。在此，该团队提出了通过简单的电解液工程设计，利用三（五氟苯基）硼烷作为增溶剂将固体二氟二草酸磷酸锂固体盐溶于碳酸酯基电解液电解液中，在LCO正极表面原位构建了由外部的稳定均一的富含F、P以及B元素的CEI钝化层和内部致密的尖晶石相构成的双保护层。实验结果证明，该双保护层有效抑制了LCO正极在高压下的不可逆相转变与钴离子的溶出，实现了石墨钴酸锂软包电池在4.55 V截止电压条件下的1000圈稳定循环，为可大规模产业化生产的高压LCO电解液设计提供了新的方向。该成果以“In-Situ Constructed Protective Bilayer Enabling Stable Cycling of LiCoO₂Cathode at High-Voltage”为题发表在知名期刊Energy Storage Materials上。DOI: 10.1016/j.ensm.2023.102951.

15、Nano Energy：合理利用正极表面残留Li₂CO₃稳定硫化物全固态电池正极/电解质界面

硫化物全固态锂离子电池具有高能量密度、高安全性和高离子电导率等优点，但正极(如LiCoO₂)与硫化物固态电解质之间的界面不稳定性阻碍了其商业发展。本文提出了一种简单的机械化学策略，即在LiCoO₂(LCO)正极上机械混合聚阴离子硼酸盐前驱体和Li₂CO₃残体，并进行随后的热化学反应，以实现类“固体电解质界面相(SEI)”。其中，SEI由晶体LiBa(B₃O₅)₃(LBBO)、Li₃BO₃(LBO)和非晶态锂硼氧化物(Li-B-O)组成。其中，LBBO 和LBO分别具有较高的界面稳定性和离子电导率，而Li-B-O存在于前两者的间隙，将LCO正极与硫化物固体电解质隔离。通过调控LBBO前驱体和Li₂CO₃残体比例，可以获得具有适当比例LBO的人工SEI，其较高的界面稳定性和Li⁺的扩散率使得硫化物全固态电池具有较高的循环和倍率性能。该项研究成果以“Mechanochemical Reactions between Polyanionic Borate and Residue Li₂CO₃on LiCoO₂to Stabilize Cathode/Electrolyte Interface in Sulfide-based All-Solid-State Batteries”发表在Nano Energy上。DOI:10.1016/j.nanoen.2023.108192

16、ACS Applied Materials & Interfaces：钴酸锂晶界开裂诱导容量衰退机制

在实际的电池制造过程中，LCO电极通常用高压轧制以获得更好的性能，包括减少电极极化、增加紧凑密度、增强机械韧性等。在这项工作中，高压LCO通过调节具有富含Al/F和尖晶石增强的表面结构的商业化LCO来实现。该团队发现，当在3–4.6 V（相对于Li/Li⁺）下循环时，轧制或多或少会在HV-LCO内部引入晶界裂纹的风险，并加速容量衰减。该团队提出了界面结构的概念来解释循环稳定性恶化的原因。随着晶界裂纹的产生，高压LCO的界面结构从表面尖晶石相改变为表面尖晶石加边界层相的混合物，导致一些非保护层相暴露在电解质上。这种交替在循环时会导致严重的体相结构损伤，包括在初级晶体中扩大晶界开裂，在体相区域内形成晶内裂纹和非活性尖晶石相等，最终导致循环稳定性恶化。该研究表明，仅仅通过表面改性来实现合格的高压LCO是远远不够的。这项工作为开发更先进的LCO阴极提供了新的见解。该成果以“Revealing the Grain-Boundary-Cracking Induced Capacity Decay of a High-Voltage LiCoO₂at 4.6 V” 发表在ACS Applied Materials & Interfaces上。DOI:10.1021/acsami.3c09043

17、Journal of Electrochemistry: 高电压钴酸锂的表面结构与性能：回顾与展望

近年来的研究表明，解决表面问题是提升高电压LCO性能的最有效途径。该综述系统回顾了高电压钴酸锂所面临的问题，包括相变和裂纹的生成、与氧氧化还原相关的问题以及副反应，以及表面结构的退化。并深入阐述了表面调制，以及表面调制与电解质调制之间的相互作用。最后，该工作展望了更先进的钴酸锂正极的发展前景，包括低成本高质量的制造，设计适用于极端条件（如高温、高速充电、低温等）的LCO正极，并实现约220 mAh g^-1的稳定容量释放。该团队期望这项工作能为未来推动高电压钴酸锂的发展和应用提供参考。该成果以“Surface Structures and Properties of High-Voltage LiCoO₂: Reviews and Prospects”发表在Journal of Electrochemistry上。DOI: 10.61558/2993-074X.3445.

负极材料：

1、Chem：揭示钠金属负极SEI的形成过程与失效机理

作为一种理想的钠离子电池负极材料，钠金属的实际应用受制于其不稳定的SEI：一方面钠电电解液中SEI存在比锂电更为严重的溶解现象，导致了持续的界面副反应；另一方面SEI仍缺乏足够的机械强度来抑制钠枝晶的生长。同时，SEI的瞬间形成过程导致了其电化学生长机制难以解析，离位表征的测试结果不可避免与真实电池工况条件下的状态存在偏差，尽管大量研究对SEI的化学成分与物理性质进行了表征与分析，但对于SEI生长过程的直接观测目前仍是一个棘手的挑战。本工作通过对多种原位界面表征手段进行联用，多维度联合揭示了钠金属负极SEI的电化学生长过程，对影响SEI稳定性的关键因素进行了系统的研究。该工作以“In-situ probing the origin of interfacial instability of Na metal anodee”为题发表于Chem。DOI：10.1016/j.chempr.2023.06.002

2、NatureCommunications：揭示硅基负极SEI生长演化机制

SEI是电池中最鲜为人知的成分。在传统认知中，SEI被认为是电子绝缘体；然而近期已陆续有科学研究表明，在搭载某些负极材料电池体系（如硅基负极）中，SEI会随着长循环过程的持续而生长增厚至数百纳米。如果仍然坚持认为SEI层是绝缘的，那么大部分的负极活性颗粒会因无法接收到电子而失活，这与电池尚可的循环性能自相矛盾。因此，硅基负极中的SEI如何持续增厚？SEI区域中是否存在导电网络？是学术界与企业界非常关心的问题。在此，该团队巧妙联用高分辨透射电子显微镜（HRTEM）、离子-电子双束扫描电子显微镜系统（FIB-SEM）等设备，成功表征了不同循环状态下的硅基颗粒及其表面SEI膜的三维形貌、直接测得了SEI区域的导电性，改变了对SEI是绝缘体的固有认识。此外，提出“SEI呼吸模型”，揭示了硅基颗粒表面SEI膜生长、演化的过程。最终确立了“硅基材料的体积膨胀/收缩是SEI持续生长的根本原因”及相关失效机理，并提出了有效改进途径。该成果以“Revealing the aging process of solid electrolyte interphase on SiO_xanode”为题，发表在NatureCommunications上。DOI: 10.1038/s41467-023-41867-6.

3、Advanced Materials:淬火妙招提高钛酸锂可逆容量

钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂, LTO)是锂离子电池中已经商业化负极材料。不幸的是，相对较低的能量密度从根本上限制了LTO负极的应用领域。因此，提高LTO负极可逆容量迫在眉睫。作者采用一种通用的淬火策略合成富含氧缺陷的钛酸锂(Li₄Ti₅O₁₂, LTO)，以实现内部区域的非化学计量比。原位同步分析和原子分辨显微镜发现，冰水淬火后，氧空位的富集和阳离子重分布，能够使原来不可脱出的Li离子参与可逆循环。制备的LTO负极在1.0-2.5 V范围内提供了202 mAh g^-1的容量，具有优异的倍率性能，并克服了传统缺陷电极中较差的循环稳定性。此外，本工作还证明了通过淬火剂调节结构缺陷程度的可行性，从而提高电池的能量密度。该研究以题目为“Quenching-Induced Defects Liberate the Latent Reversible Capacity of Lithium Titanate Anode”的论文发表在Advanced Materials，DOI: 10.1002/adma.202208573 。

4、Advanced Energy Mater：钠离子电池的全电池预钠化

硬碳负极低的首圈库伦效率和P2型正极不足的钠含量导致了钠离子电池低的能量密度，这限制了钠离子电池的商业化进程。在此，本文制备了一种具有良好预钠化性能的钠-萘/四氢吡喃（Na-NP/THP）预钠化溶液，用于钠离子全电池的预钠化。Na-NP/THP预钠化溶液不仅能够有效消除硬碳负极初始的不可逆容量损失，而且还能解决P2型正极固有的缺钠问题，显著提升了全电池中活性钠离子的含量。此外，Na-NP/THP预钠化溶液还能在硬碳负极和P2型正极表面构建一层富含NaF的界面钝化层，显著改善了电极材料界面结构的稳定性。得益于这些作用，钠离子电池的能量密度和循环稳定性都得到了有效提升。该项工作对高能量密度钠离子电池的研究具有重要的参考价值。该成果以“Full-Cell Presodiation Strategy to Enable High-Performance Na-Ion Batteries”为题，发表在材料领域的知名期刊Advanced Energy Mater上。DOI: 10.1002/aenm.202302514。

5、Advanced Functional Materials: 纳米纤维隔膜促进锌离子高速传输

锌离子的溶剂化水的数量严重改变了沉积形态，但许多关于隔膜的研究往往忽视了隔膜对调节电解质结构的可能影响，而这已被证明对阳极性能至关重要。因此，与其优化阳极本身，高性能的隔膜可能是解决AZB中锌阳极问题的一个有效方法。本工作设计并制备了聚丙烯腈/氧化石墨烯（PG）隔膜，具有以下优势：1）PG隔膜可以通过分层的三维亲锌框架吸收大量的电解质。2）Zn2+的溶剂化结构可以被OH、COOH和CN基团的配位所改变。3）Zn离子通过跳过CN官能团迁移的低能量障碍使得Zn离子可以沿着PG纳米纤维快速迁移。因此，PG隔膜能够调节锌离子的均匀平面沉积，并抑制锌的垂直枝晶生长。带PG隔膜的Zn||Zn对称电池实现了难以想象的超过1年的超长循环寿命，带PG隔膜的Zn||Zn0.27V2O5全电池在2800次循环后显示出卓越的循环稳定性，容量保持率达到71.5%。这项工作证明了通过可大规模生产的隔膜实现稳定的锌阳极的新可能性。本工作以“Ultra‐Stable Zn Anode Enabled by Fiber‐Directed Ion Migration Using Mass‐Producible Separator”为题发表在Advanced Functional Materials 上。DOI: 10.1002/adfm.202209301。

6、Energy Storage Materials: 镓基液态金属过渡层实现可逆锌负极

水系锌离子电池成本低廉、安全性高，特别适用于大规模储能和可穿戴设备领域，与现有的锂离子电池在应用场景上形成互补。然而，金属锌负极在水系电解液中较差的可逆性一直是制约锌离子电池实际应用的短板之一。首先，伴随锌沉积、剥离过程的吸氢、腐蚀等副反应及其中产生的副产物如碱式锌酸盐等会破坏电极反应界面，造成电极反应活性降低；再者，不均匀的Zn沉积会造成枝晶生长并形成“死锌”。因此，关于提升锌负极电化学性能的研究具有十分重要的意义。我们发现利用镓基液态金属过渡层可实现Zn的还原和沉积在时间和空间上的分离，进而实现锌负极氧化还原动力学提升和无枝晶Zn(002)沉积。基于这种滞后沉积机制，本工作以导电银布为集流体、液态金属为功能涂层制备了柔性锌负极，并做了相关性能、机理研究。由于液态金属具备一定的锌溶解度，还原的锌首先溶解到液态金属中，待其饱和后再从液态金属中析出沉积在基底上，依此提出滞后沉积机制。锌还原与沉积的分步进行比一步还原沉积所需克服的能垒更小，实现了锌负极氧化还原动力学的提升，表现为更小的沉积、剥离过电势及更高全电池倍率性能。由液态金属中析出的晶态锌被限制在液态金属薄层中，实现了Zn(002)平面生长。该成果以“A liquid metal interlayer for boosted charge transfer and dendrite-free deposition toward high-performance Zn anodes”为题发表在Energy Storage Materials上。DOI: 10.1016/j.ensm.2022.11.013。