电池||顶刊集锦：曹安民、陈人杰、周光敏、马吉伟、黄少铭、吴兴隆、张强、康飞宇等成果！

点击左上角“锂电联盟会长”，即可关注！

1. Nature Sustainability：可再生纤维素聚合物助力固态电池

纤维素被称为地球上最丰富的生物聚合物，是一种由通过 β-缩醛键连接的葡萄糖单元组成的多糖，其已在医疗保健、包装、电子和环境修复等一系列领域得到应用，有助于向可持续发展的过渡。

在此，中国科学院化学所曹安民、中国科学院大学乔燕、李玉涛等人将绿色且可扩展的工艺将纤维素转化为电解质。结果显示，其锂 (Li) 离子电导率为 1.09 × 10^-3 S cm^-1，迁移数为 0.81，机械强度为 12 MPa。

该工艺利用了纤维素中丰富的羟基，羟基通过酯化反应被邻苯二甲酸酐取代，形成邻苯二甲酸纤维素（CP）。研究表明，邻苯二甲酸酯基团的引入不仅对于确保与锂离子有效的多氧相互作用以创建快速离子传输通道至关重要，而且还促进分子间氢键的形成，从而产生优异的机械性能。基于此， Li/CP/LiFePO₄电池比使用易燃有机液体电解质的基准锂离子电池表现出更好的性能，并且在 1,000 次循环中表现出良好的稳定性。

图1. 纤维素衍生物SSEs的电化学分析

总之，该工作通过分子工程将纤维素转化为固态电解质（CP-SSE）。结果显示，该电解质在固态电池中展现出了优异的电化学性能和机械稳定性。CP-SSE具有高锂离子导电性、高锂离子迁移数和良好的热稳定性，基于此，该电解质在超过1000个循环中表现出色，且与商业正极材料兼容。因此，该工作为开发可持续和环境友好的能源存储技术提供了新途径，展示了纤维素在电池技术中的潜力，并为未来生态友好型固态电解质的发展铺平了道路。

图2. 25℃下的全电池性能

Molecular engineering of renewable cellulose biopolymers for solid-state battery electrolytes, Nature Sustainability 2024 DOI: 10.1038/s41893-024-01414-7

2. Angewandte Chemie International Edition：深共晶电解质增强Li-O₂电池

Li-O₂电池（LOB）因其卓越的能量密度而得到了广泛的认可。然而，LOBs面临的一个主要挑战是缺乏能够有效平衡反应物传输、界面相容性和非挥发性的适当电解质。

在此，北京理工大学陈人杰团队开发了一种新型的超分子深共晶溶剂（DEE），其基于锂盐（LiTFSI）、乙酰胺（Ace）和硼酸（BA）之间的协同相互作用。该种DEE通过在锂盐和乙酰胺之间形成锂键（Li-bonds）和氢键（H-bonds），以及硼酸作为界面改性添加剂，增强了电解质的氧化还原稳定性，促进了液相放电过程，并提高了与锂负极的兼容性。

结果显示，DEE展示了高达4.5V的高氧化电压、15225 mAh g⁻¹的超高放电容量以及在锂氧电池（LOBs）中可稳定循环196次。此外，该电解质的固有非易燃性以及成功运行的锂氧软包电池表明了该电解质在实际应用中的前景。

图1. 超分子 DEE 设计的示意图

总之，该工作提出了一种基于锂盐（LiTFSI）、乙酰胺（Ace）和硼酸（BA）之间协同作用的超分子深共晶电解质（DEE）。其中，乙酰胺促进了锂盐的解离，而硼酸在增强电解质的氧化还原稳定性和促进液相放电过程中发挥了关键作用，通过与Li⁺和O₂⁻形成强锂键和氢键。此外，富无机物的固体电解质界面（SEI）膜的形成促进了均匀的Li⁺沉积，增强了锂负极与电解质之间的界面相容性。

基于此，DEE实现了高达4.5V的高氧化电压，实现了15225 mAh g^-1的放电容量，并在锂氧电池中实现了196个循环。此外，该种DEE的固有非易燃性和锂氧软包电池的成功运行展示了其安全性和实际应用前景。因此，该项研究不仅为本工作理解LOBs中的DEE开辟了新途径，而且为开发未来高性能LOBs电解质提供了新见解。

图2. 基于DEE的实用性

A Supramolecular Deep Eutectic Electrolyte Enhancing Interfacial Stability and Solution Phase Discharge in Li-O2 Batteries, Angewandte Chemie International Edition 2024 DOI: 10.1002/anie.202409965

3. Nature Communications：退役锂离子电池再利用和回收的路径决策

随着全球电动汽车(EV)销量的激增，如何有效管理退役的锂离子电池成为一个紧迫的问题。这些电池如果处理不当，可能会导致环境污染、资源浪费和增加废物管理压力。为了应对这些挑战，科学和工业界提倡对退役电池进行再利用和回收。

在此，清华大学深圳国际研究生院周光敏，张璇，吴秋伟等人提出了针对退役电动汽车电池的再利用和回收途径决策策略。作者通过对整个循环周期的经济和环境效益进行分析，证明了该策略的有效性。

其中，作者重点研究了两种主要的正极化学类型，即镍锰钴氧化锂（NMC）和磷酸铁锂（LFP），并考虑了不同的退役 SOHs（70%、80% 和 90%）和不同的再利用方案（ESS、CBS 和 LSV）容量配置。此外，作者评估了三种回收技术（湿法冶金、直接回收和火法冶金回收）对不同 SOH 水平（40%、50%、60%、70%、80% 和 90%）的电池在 EOL 阶段的影响。

图1. 电池循环周期内的经济性能和碳足迹

总之，该工作通过综合考虑经济和环境因素，退役电动汽车电池的再利用和回收路径可以被优化以实现更高的经济效益和环境效益。研究表明，对于磷酸铁锂（LFP）电池，通过在通信基站（CBS）中的再利用结合湿法回收，可以实现利润最大化并减少碳足迹。对于镍钴锰氧化物（NMC）电池，通过在CBS中的再利用结合直接回收，同样可以获得较好的经济和环境效益。

此外，该工作强调了延长电池再利用阶段并推迟回收可以提高经济性能，并减少环境影响。因此，该工作提出的策略为退役电池的可持续管理提供了一个全面的评估框架，有助于推动电池行业的循环经济实践。

图2. 传统和优化途径的评价

Pathway decisions for reuse and recycling of retired lithium-ion batteries considering economic and environmental functions, Nature Communications 2024 DOI: 10.1038/s41467-024-52030-0

4. Nature Materials：库仑效率高达99.1%的无负极锂电池

锂金属电池因其极高的理论能量密度被视为下一代能源存储技术的有力候选。然而，锂金属电池在充放电过程中易形成枝晶，导致电池性能下降和安全隐患。因此，有效抑制锂枝晶生长、提高电池稳定性仍具挑战。

在此，同济大学马吉伟、柏林工业大学 Peter Strasser和华中科技大学黄云辉、伽龙等人开发了一种在碳酸酯基电解液中通过原位电化学技术形成p区保护层策略。该策略显著提高了无负极锂金属电池的循环稳定性和库仑效率。

研究显示，作者通过在碳酸酯电解液中添加辛酸亚锡（Sn(Oct)₂）作为添加剂，利用其在铜基底上的优先吸附特性，构建了一种无碳酸酯的保护层，有效抑制了副反应并促进了均匀的锂沉积。同时，Sn²⁺在初次充电过程中还原形成的稳定亲锂层，进一步提高了锂与铜基底之间的亲和力。结果表明，添加Sn(Oct)₂的无负极锂金属软包电池展现出了优异的循环稳定性和高达约99.1%的高库仑效率。

图1. Sn(Oct)₂添加剂对锂沉积/剥离的调节

总之，该工作合理设计的有机p区金属盐添加剂能够实现高度可逆的碱金属沉积/剥离。研究显示，Sn(Oct)₂ 被用作碳酸酯基电解质中无负极LMB的添加剂，其溶解度高、成本低且对NCM正极的影响可以忽略不计。在添加碳酸酯溶剂之前，Oct部分可以吸附在 Cu 基材上，形成保护层并有效地将基材与碳酸酯溶剂隔离。通过少量还原，部分Oct与醚类物质结合有助于形成表面层。此外，电解液中的Sn²⁺优先沉积在Cu基体上，形成亲Li性的Cu₆Sn₅合金和Sn异质结构层。

基于此，Li ||Li、Li||Cu和Li || NCM523纽扣电池和使用 Sn(Oct)₂ 添加剂的无负极Cu || NCM523软包电池表现出显著改善的性能。因此，该工作为进一步提高性能铺平了道路，并为稳定、高能量密度可充电金属电池提供了前景。

图2. Sn(Oct₎₂添加剂对锂沉积过程的作用机制

In situ p-block protective layer plating in carbonate-based electrolytes enables stable cell cycling in anode-free lithium batteries, Nature Materials 2024 DOI: 10.1038/s41563-024-01997-8

5. Advanced Energy Materials：协同调节多硒化物溶解和钠离子扩散以实现超快、耐用的钠离子电池

开发大规模的储能系统对于利用风能、太阳能和潮汐能等可再生能源至关重要。锂离子电池在储能领域的有限扩张归因于资源稀缺、分布不均和成本高昂。钠离子电池（SIB）因其丰富的钠资源、低成本和众所周知的摇椅充放电机制而被认为是有前景的储能形式。

在此，国科大杭州高等研究院黄少铭，广东工业大学张伟等人揭示了Bi₂Se₃负极放电过程涉及多种类型的聚硒化钠（Na-pSex），其具有高溶解性和穿梭特性。基于此，作者通过简单的缺陷化学设计了一种由双碳约束的Bi₂Se_3−x晶粒组成的纳米花状复合材料。其中，双氮掺杂碳层抑制了Bi₂Se₃的沉淀和聚集，显著减轻了Na-pSex的溶解和穿梭效应。

计算表明，吡啶/吡咯氮位点对Na₂Se₄和Na₂Se₂具有强范德华抗性和化学吸附性能。此外，丰富的Se空位提高了Bi₂Se₃的固有电导率，降低了Na⁺的扩散势垒，加速了反应动力学。因此， Bi₂Se_3−x@DNC电极显示出优异的循环性能（在10.0 A g⁻¹下超过2000次循环）和高倍率性能（在75.0 A g⁻¹下为354.4 mAh g^−l）。

图1. 机制探究

总之，该工作首次证明了Na-pSex的严重溶解和穿梭行为是导致Bi₂Se₃电极容量衰减的原因。此外，系统的原位紫外-可见和原位/非原位XRD揭示了Na-pSex(Se^2-→Na₂Se₄→Na₂Se₂₎和最终还原产物(Na₂Se)的演化机理。

基于此，作者设计了一种双N掺杂碳约束的超细富硒空位Bi₂Se₃复合材料，该复合材料凭借其稳健的物理屏障和强大的化学吸附能力，有效抑制Na-pSex的溶解和穿梭，进一步实现了超长的循环寿命。

此外，高导电性的碳衬底和富硒空位的Bi₂Se_3-x有助于加速电子/离子传输效率，从而实现超高倍率性能。因此，该工作为开发具有优良电化学特性的MSe负极提供了新指导。

图2. Bi₂Se_3−x@DNC负极材料的实际应用潜力

Synergistic Regulation of Polyselenide Dissolution and Na-Ion Diffusion of Se-Vacancy-Rich Bismuth Selenide toward Ultrafast and Durable Sodium-Ion Batteries, Advanced Energy Materials 2024 DOI: 10.1002/aenm.202402110

6. Energy & Environmental Science：高熵溶剂化策略助力水系锌金属电池

电解液在连接正极和负极方面起着至关重要的作用。其中，添加剂的加入可有效调节Zn²⁺的初级溶剂化结构，进而有效地解决了电化学窗口狭窄和可逆性低的问题。然而，使用单一添加剂的引入对电池性能的提高十分受限。

在此，东北师范大学吴兴隆团队开发了一种新型的高熵溶剂化电解液（HESE），其可通过增加溶剂化结构的多样性来增强熵。研究显示，多组分添加剂的加入增强了S_conf，导致Zn²⁺的溶剂化结构多样化，从而导致无序度增加。此外，更高程度的无序减弱了Zn²⁺和H₂O之间的相互作用，有效调节了活性水分子中的O-H键序，减弱了副反应和析氢反应（HER），同时促进了Zn²⁺的均匀沉积。

因此，使用HESE的Zn||Zn对称电池在5 mA cm^-2的高电流密度下实现了超过3500小时的循环寿命，甚至在更高的电流密度/容量10 mA cm^-2/10 mAh cm^-2下，其仍能实现超过1300小时的循环寿命。

图1. 溶剂化作用

总之，该工作提出了一种高熵溶剂化策略，即通过调节溶剂化结构的多样性和混乱度，有效增强了锌金属的可逆性。计算表明，熵的增加导致界面表面能和溶液的Gibbs自由能降低。此外，HESE优化了溶剂化结构中的活性水分子，并调节了水分子内O-H键的能量，进一步降低了水分子的活性，从而有效改善了Zn²⁺动力学。

基于此，锌负极展现出超高的可逆性和循环寿命，在2 mA cm^-2的电流密度下实现了1400个循环的稳定性，以及在5 mA cm^-2/5 mAh cm^-2的电流密度下实现了3500小时的稳定循环。此外，基于HESE的Zn||NH₄V₄O₁₀全电池具有优异的循环性能。因此，该工作为新型高混乱度电解质水系电池的发展提供了新途径。

图2.全电池性能

Ultrastable electrolyte (>3500 hours at high current density) achieved by high-entropy solvation toward practical aqueous zinc metal batteries, Energy & Environmental Science 2024 DOI: 10.1039/d4ee02896a

7. Nature Chemical Engineering：锂-硫电池的相平衡热力学

锂硫（Li-S）电池因其高理论能量密度而被视为下一代高能量密度电池技术的有力候选。然而，硫转化化学的基本原理仍然不甚清晰，这限制了高性能Li-S电池的设计和优化。

在此，清华大学张强、北京理工大学李博权等人进行了相平衡分析，以更新对锂-硫电池的热力学理解。根据硫、硫化锂和溶解的多硫化物之间的平衡，作者绘制了三元相图。该图准确地描述了不同多硫化物的存在形式和固-液-固相变。定量分析进一步揭示了两个放电平台之间1.0 : 4.5的化学计量比，并确定了固有的液-固沉积不足是其主要限制。此外，该工作还建立了系统点与平衡电位之间的关系，使得三元相图可以预测任意状态下的锂-硫热力学。

图1. 相平衡和锂硫电池反应热力学的关系

总之，该工作通过测量锂-硫电池中硫、硫化锂和溶解的多硫化物之间的三元相图，研究了相平衡。其中，相图清晰地描述了溶解的多硫化物的存在形式和固-液-固相变的特点。定量分析更新了两个放电平台之间的化学计量比为1.0:4.5，并确定不足的液-固沉积是锂-硫电池的主要限制。

作者进一步证明了相平衡热力学的普适性，建立了锂-硫系统中相平衡与电化学平衡之间的关系，并展示了在任何给定状态下预测锂-硫电池电极电位的可行性。因此，该工作更新了锂-硫电池热力学领域的基础知识，并为研究类似的多相和多中间体电化学反应提供了一种新方法。

图2. 相平衡和电化学平衡之间的关系

Phase equilibrium thermodynamics of lithium–sulfur batteries, Nature Chemical Engineering 2024 DOI: 10.1038/s44286-024-00115-4

8. Advanced Materials：超高容量钠金属电池的稳定循环

钠电池由于钠的自然丰度更高和成本更低，提供了一条超越锂离子技术的有希望的途径。钠金属作为一种理想的负极材料出现，拥有高比容量（1166 mAh g⁻¹）和低氧化还原电位（相对于标准氢电极为−2.71 V）。然而，钠金属负极仍面临些许挑战。

在此，清华大学深圳国际研究生院康飞宇、翟登云等人通过在钠金属负极表面覆盖碳纳米管（CNT）膜，重新审视了中间层策略，实现了钠金属电池在超高面积容量（50 mAh cm⁻²）下的稳定循环。其中，原位拉曼图谱揭示了CNT中间层的快速离子存储特性，使得钠离子能够在界面处快速沉积而不受限于容量。

在对称电池测试中，该结构展示了长达一年的稳定循环性能，并且在90%的深度放电条件下，实现了创纪录的高容量。此外，全电池测试中，采用50微米薄的金属阳极和高负载的Na₃V₂(PO₄)₃正极（12 mg cm⁻²），在270个循环后，仍能保持94%的容量保持率。

图1. 中间层钠存储的图谱演变和动力学

总之，该工作通过在钠金属负极上应用碳纳米管（CNT）膜，重新审视了中间层策略，实现了在超高面积容量（50 mAh cm⁻²）和高钠利用率（90% DOD）下钠金属电池的稳定循环。基于此，该工作为稳定高反应性钠金属负极提供了一个有希望的解决方案，有效地减轻了界面反应并抑制了枝晶生长。

鉴于实验室规模条件的限制，进一步研究更薄（10-30微米）的钠金属负极和更高负载（>3 mAh cm⁻²）的正极对于开发商业上可行的高能量密度钠金属电池是必要的。因此，该工作通过优化中间层材料，可以显著提高钠金属电池的稳定性和能量密度，为开发高能量密度的钠金属电池提供了新的方向。

图2. 全电池的电化学性能

Stable Cycling of Na Metal Batteries at Ultrahigh Capacity, Advanced Materials 2024 DOI: 10.1002/adma.202409062

来源：电池未来

锂电联盟会长向各大团队诚心约稿，课题组最新成果、方向总结、推广等皆可投稿，请联系：邮箱libatteryalliance@163.com或微信Ydnxke。

相关阅读：

锂离子电池制备材料/压力测试！

锂电池自放电测量方法：静态与动态测量法！

软包电池关键工艺问题！

一文搞懂锂离子电池K值！

工艺，研发，机理和专利！软包电池方向重磅汇总资料分享！

揭秘宁德时代CATL超级工厂！

搞懂锂电池阻抗谱(EIS)不容易,这篇综述值得一看！

锂离子电池生产中各种问题汇编！

锂电池循环寿命研究汇总（附60份精品资料免费下载）