近日，香港城市大學支春義教授，中科院化學研究所李玉良院士，北京化工大學邱介山教授報道了構(gòu)建了一個N-修飾的石墨炔（NGDY）界面（NGI），通過調(diào)節(jié)水合鋅離子的去溶劑化來穩(wěn)定pH，并抑制Zn枝晶生長。

相關(guān)文章“Stabilizing Interface pH by N-Modified Graphdiyne for Dendrite-Free and High-Rate Aqueous Zn-ion Batteries”發(fā)表在Angewandte Chemie International Edition的期刊上。

文章重點：

1、在高電流密度的嚴格條件下，啟動了N-改性石墨烯界面工程，以穩(wěn)定界面pH值和消除鋅枝晶。

2、實驗和理論研究將pH穩(wěn)定和樹枝晶抑制與N-改性石墨烯加速水合鋅離子的去溶劑化相關(guān)聯(lián)，其中N原子作為受體從Zn2+配位水分子捕獲電子，減弱Zn2+與水分子的配位，促進水分子的去除。

這項工作強調(diào)了水性儲能系統(tǒng)中界面pH值的重要性，并提出了一種解決水性鋅離子電池中樹枝晶問題的新方法。

DOI: 10.1002/anie.202112304

近日，上海硅酸鹽研究所溫兆銀課題組將不同維度的碳材料作為硫載體應(yīng)用于鋰硫電池，深入研究其失效機理，指出循環(huán)過程中硫在低維度碳載體表面形成“死硫”是導(dǎo)致鋰硫電池失效的重要原因。發(fā)表了題為Microregion Welding Strategy Prevents the Formation of Inactive Sulfur Species for High-Performance Li–S Battery的文章

該研究通過鹽模板法結(jié)合碳納米管和原位衍生碳片設(shè)計的微區(qū)焊接碳材料是一種在微觀尺度上仿自支撐碳材料的結(jié)構(gòu)，它不僅有效地模仿了自支撐碳材料的一體化電子電導(dǎo)特征，同時避免了自支撐結(jié)構(gòu)加工性能差，無法焊接極耳等問題?；诖? 實現(xiàn)了面容量為7.8 mAh cm-2 鋰硫電池的穩(wěn)定循環(huán)，設(shè)計的安時級軟包電池在貧電解液和貧鋰的條件下也表現(xiàn)出較高的放電比容量。

DOI：10.1002/aenm.202102024

近日，上海大學張海嬌教授和吳明紅院士團隊（共同通訊作者）在國際期刊《Energy Storage Materials》上發(fā)表題為“Sn-based nanomaterials: from composition and structural design to their electrochemical performances for Li- and Na-ion batteries”的綜述文章。

圖：具有代表性的Sn 基負極用于LIBs 和 SIBs的時間軸

該綜述重點：

1、在形貌和成分調(diào)控方面，合理設(shè)計復(fù)合結(jié)構(gòu)使其內(nèi)部成分能夠協(xié)同增強離子和電子的傳輸并保持電極結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性仍然是一個挑戰(zhàn)。

2、在電化學機理方面，深入研究電化學反應(yīng)過程中組分的相變和形貌變化，對于分析電極材料的失效機理具有重要意義。然而，目前關(guān)于錫基負極材料的儲鈉/鋰機制的研究大多集中在單組分錫或其化合物上。此外，具有異質(zhì)結(jié)構(gòu)的錫氧化物或硫化物的固有電荷轉(zhuǎn)移動力學增強機制仍有待闡明。在實際應(yīng)用方面，更應(yīng)重視綜合性能評價。

3、納米材料低的堆積密度會顯著降低電池的體積容量。事實上，錫基負極是一類很有前途的負極，能同時具有高質(zhì)量比容量和體積比容量。以金屬Sn為例，LIBs和SIBs的理論體積比容量分別為7200和6149 mA h cm-3，其值高于Si負極（LIBs為~2000 mA g cm-3）。金屬錫基材料在體積容量方面的優(yōu)勢使其極具競爭力，尤其是作為 SIBs 的負極。

4、今后的研究可以更加關(guān)注具有更高振實密度的錫基負極材料的設(shè)計，例如由納米顆粒組裝而成的三維微米級分層結(jié)構(gòu)，從而充分利用納米結(jié)構(gòu)和微米結(jié)構(gòu)的優(yōu)點。

DOI: 10.1016/j.ensm.2021.09.026

近日，上海大學張海嬌教授團隊在國際高水平期刊《ACS Nano》上發(fā)表題為“Microscale Si-based anodes: Fundamental understanding and industrial prospects for practical high-energy lithium-ion batteries”的綜述文章。

圖：微米尺度硅基負極提升鋰離子電池的綜合電化學性能

隨著硅基陽極技術(shù)的進步，開發(fā)實用的硅基陽極已成為研究熱點。

盡管硅基陽極材料有了顯著的改進，但其大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用仍處于不成熟階段?；赟i的LIB的擴展仍面臨許多挑戰(zhàn)。

1、對于活性材料設(shè)計，應(yīng)致力于探索具有高抽頭密度但可忽略顆粒級膨脹的創(chuàng)新硅基結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)高體積能量密度。

2、需要利用理論模擬和先進的原位表征技術(shù)來研究儲能機理，深入了解材料結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，從而更好地預(yù)測和優(yōu)化電極材料的設(shè)計。

3、此外，進一步增加面積質(zhì)量負荷（>5mg-cm?2）在保持高活性材料的同時，非常需要使用高活性材料來實現(xiàn)高面積容量。因此，應(yīng)更加注意了解在如此高的質(zhì)量荷載水平下的固有失效模式。

4、此外，通過三維電極設(shè)計優(yōu)化電極結(jié)構(gòu)，充分利用硅基活性材料的優(yōu)勢是實現(xiàn)厚電極制備的關(guān)鍵。最后，但并非最不重要的是，含硅微粒的兼容性，包括機械壓延性和與碳材料的界面，以及大規(guī)?？芍圃煨裕ɡ纾a(chǎn)成本、重復(fù)性和電極材料的穩(wěn)定性）都是商業(yè)化需要考慮的關(guān)鍵因素。

DOI: 10.1016/j.ensm.2021.09.026

近日，中科院成都有機化學研究所的研究者報告了一種無害且簡單的方法來應(yīng)對鋰離子電池硅負極大規(guī)模應(yīng)用的挑戰(zhàn)，以水溶性聚合物羧甲基殼聚糖和納米硅為前驅(qū)體，采用一步噴霧干燥法制備了多尺寸三維微球硅負極材料。相關(guān)研究成果“Water-Soluble Polymer Assists Multisize Three-Dimensional Microspheres as a High-Performance Si Anode for Lithium-Ion Batteries”發(fā)表在ACS Applied Energy Materials上。

圖：SD-Si/CMCS微球、電極和電極循環(huán)過程的示意圖

在該工作中，作者通過一步噴霧干燥法制備了無需熱處理的含有納米硅和水溶性聚合物羧甲基殼聚糖的多尺寸3D微球硅負極材料。該負極材料保留了聚合物的特性，并有以下優(yōu)點：（1）這些官能團有效地促進了納米硅顆粒在水中的分散，并在循環(huán)過程中形成穩(wěn)定的SEI膜；（2）粘性不僅改善了材料內(nèi)部連通性和外部密度，以保持二次顆粒的完整結(jié)構(gòu)，而且還緩沖了硅的體積膨脹；（3）在電極制備過程中親水的陽離子聚合物羧甲基殼聚糖與陰離子水系粘結(jié)劑具有協(xié)同效應(yīng)，以增強電極的完整性。含有羧甲基殼聚糖的3D微球具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)、致密的表面以及與集流體緊密連接，從而通過簡便、無害和可規(guī)模化的方法提高材料初始庫侖效率、增強循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。

DOI: 10.1021/acsaem.1c01791

近日，東北大學祝紅麗教授團隊全面總結(jié)了不同尺寸碳材料的優(yōu)勢和性能及其在電化學儲能中的應(yīng)用。文章以題為“Versatile zero- to three-dimensional carbon for electrochemical energy storage”發(fā)表在Carbon Energy上。

這篇綜述中強調(diào)了碳結(jié)構(gòu)的重要性以及材料結(jié)構(gòu)與電化學性能之間的關(guān)系。具體如下：

1、0D 球形碳：高活性材料利用率、可容納體積變化大的活性物質(zhì)、高表面積。

2、1D 碳纖維：低滲透閾值、優(yōu)良的導(dǎo)電性。

3、2D 層狀碳：高比表面積、優(yōu)良的導(dǎo)電性、較大的層間距可減輕大的體積變化并保持活性材料。

4、3D體塊碳：有序和互連的多孔結(jié)構(gòu)、獨立式結(jié)構(gòu)、良好的導(dǎo)電性。

DOI: 10.1002/cey2.137

近日， 北京化工大學張均營等研究人員在《Energy Fuels》期刊發(fā)表名為“Graphene and Carbon Nanotube Dual-Decorated SiOx Composite Anode Material for Lithium-Ion Batteries”的文章，研究合成了一種三維石墨烯和碳納米管（CNT）修飾的SiOx復(fù)合材料（SiOx -Gr-CNT）。通過簡單的一步法高能球磨引入雙碳組分。由于石墨烯和碳納米管組成的柔性網(wǎng)絡(luò)具有高導(dǎo)電性，因此相應(yīng)的SiOx-Gr-CNT復(fù)合電極具有優(yōu)異的儲鋰性能。

DOI: 10.1021/acs.energyfuels.1c02967

近日，上海交通大學付超鵬、董安平教授團隊和武漢大學肖巍教授團隊，在國際知名期刊Advanced Materials上發(fā)表題為“Challenges and Strategies of Low-Cost Aluminum Anodes for High-Performance Al-Based Batteries”的綜述論文。該論文概述了目前鋁基電池（包括一次鋁空氣電池和可充鋁電池）中鋁負極的最新研究進展。

文章重點：

1、對于鋁空氣電池，提出包括控制晶粒尺寸和結(jié)晶度、合金化和表面改性等策略最大限度降低自腐蝕。

2、對于可充電鋁電池，鋁負極和電解質(zhì)之間適當?shù)慕缑嬖O(shè)計是提高電池性能的關(guān)鍵。

圖：鋁電池的挑戰(zhàn)與應(yīng)對策略

DOI: 10.1002/adma.202102026

近日，江蘇大學張立強副教授課題組就四種代表性的負極材料（石墨，鈦酸鋰，硅，鋰金屬）的特性、挑戰(zhàn)以及相應(yīng)的解決策略進行了回顧、總結(jié)和展望。相關(guān)成果“Status and challenges facing representative anode materials for rechargeable lithium batteries”發(fā)表在Journal of Energy Chemistry上。

圖：負極材料的發(fā)展歷程

文章重點：

1、在未來幾十年中，石墨仍將是商業(yè)LIBs的主流陽極材料，對石墨/電解質(zhì)界面和速率性能的深入研究對于促進LIBs的發(fā)展是必不可少的。

2、硅以其超高的理論容量、較低的鋰化電位和豐富的儲量被認為是下一代高能鋰離子電池最有前途的陽極材料。在該綜述中，作者系統(tǒng)總結(jié)了其優(yōu)點、制備方法、從0D納米顆粒到3D多孔硅的不同尺寸硅陽極的缺點和相應(yīng)解決方案，并介紹了各種復(fù)雜的硅復(fù)合陽極結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制備，其電化學性能大大增強，如庫倫效率、循環(huán)穩(wěn)定性、能量密度和速率能力，這將為今后先進的硅陽極積累寶貴的經(jīng)驗。硅陽極最大的挑戰(zhàn)是巨大的體積膨脹和低導(dǎo)電性。

3、鈦酸鋰將會在鋰離子電池陽極市場扮演著特殊的角色，由于其超高的安全性和循環(huán)穩(wěn)定性。

4、鋰金屬陽極被認為是可充電鋰電池的最終目標和最佳選擇，由于不同LMB的超高能量密度，它能夠顯著改變儲能領(lǐng)域的形勢，促進電池技術(shù)的發(fā)展。然而，由于無法控制的鋰枝晶生長和不穩(wěn)定的SEI引起的嚴重安全問題和快速容量衰減仍然是巨大的實際應(yīng)用的挑戰(zhàn)。該綜述介紹了鋰樹枝晶的生長過程，總結(jié)了抑制鋰樹枝晶形成和鋰金屬漲落的四種有效策略，最后介紹了無陽極LMB的最新進展。

DOI: 10.1016/j.jechem.2021.08.001