本文总结了清华大学深圳国际研究生院康飞宇教授(本刊主编），南方科技大学赵天寿院士（本刊顾问编委），厦门大学孙世刚院士，澳大利亚阿德莱德大学郭再萍院士（本刊顾问编委），加拿大滑铁卢大学陈忠伟院士（本刊顾问编委），中国科学院化学研究所郭玉国研究员（本刊副主编）等课题组在Energy & Environmental Science、Advanced Materials、ACS Energy Letters、Nature Communications、Angewandte Chemie International Edition等期刊上发表的最新研究成果，以供读者了解领域最新进展。
近年来，普鲁士蓝及其类似物（PBAs）在储能领域中得到了广泛的研究，开发高结晶性、低缺陷的PBAs在多种体系中被证实有助于提高材料的比容量和循环稳定性。但随着结晶性的提高，颗粒的尺寸不可避免的增大，这不利于大尺寸的K+的传输，从而导致电化学活性的降低。克服PBAs在钾离子存储过程中的尺寸约束具有挑战。
鉴于此，清华大学深圳国际研究生院康飞宇教授团队在ACS Energy Letters上发表了题为“Chemical Long-Range Disorder in Prussian Blue Analogues for Potassium Storage”的最新研究成果。
本文要点：
1.在该文章中，作者对PBAs的有序性进行了调控，实现了长程无序（LRD）的PBAs结构。
2.所制备的材料在大的颗粒尺寸下实现了高容量的K+的存储，克服了PBAs面临的尺寸约束。
3.具有和K+选择性络合的18-Crown-6被首次用来参与PBAs的制备。作者通过在合成过程中对K+的限制，成功实现了对晶格相干长度的调节，最终实现了长程无序的PBAs。
4.该材料的电化学活性得到了显著的提高，具有优异的循环稳定性，实现了超过2000圈的稳定循环。
5.作者相信这种策略也可以有效地优化多电荷离子存储的电化学行为，并在未来的其他PBAs中具有应用前景。
原文详情
Chongwei Gao, et al. Chemical Long-Range Disorder in Prussian Blue Analogues for Potassium Storage. ACS Energy Lett. 2024, 9, XXX, 4248–4254.
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.4c01495
Energy & Environmental Science：用于液流电池容量恢复的新型甲酸氧化还原燃料电池！
液流电池（RFB）作为一种容量与功率解耦的电化学储能装置，具有本征安全、寿命长、响应快、回收残值高等优点，被认为是具有广泛应用前景的储能技术。然而，液流电池容量随着循环次数增加逐渐衰减，虽然针对液流电池容量恢复已经开发出了一系列的方法策略，例如添加还原剂，或者电解液电解。但传统的添加还原剂的化学法往往需要升温加速反应速率，并且容易在电解液中有化学物质残留，影响后续充放电性能。电解法需消耗电能，并且产生多余的阳极废弃物。氢气还原法则需要高压氢气罐，存储和使用增加了储能电站的安全风险。并且液态电解液扩散到氢电极侧易造成水淹，影响氢气反应速率。开发高效、安全的容量恢复系统，延长液流电池循环寿命，成为了领域内的重要研究方向。此外，甲酸燃料电池（FAFC）因其燃料稳定性高、储存方便，成为了研究热点。然而，FAFC在运行过程中存在甲酸渗透导致的混合电势问题，使得电池的输出电压大幅降低。此外，阴极的氧还原反应（ORR）电化学反应效率低下，限制了其实际应用。
鉴于此，南方科技大学赵天寿院士团队在Energy & Environmental Science上发表了题为“A Novel High-performance All-liquid Formic Acid Redox Fuel Cell: Simultaneously Generating Electricity and Restoring Capacity of Flow Batteries”的最新研究成果。
本文要点：
1.在这项工作中，作者提出了一种创新设计，用液体氧化还原对取代氧气。
2.作者设计了铋修饰的Pt/C电催化剂，它能够有效促进甲酸氧化反应，并具有强大的CO耐受性。
3.这种新型氧化还原燃料电池实现了1.23 V的开路电压和281.5 mW cm−2的峰值功率密度，分别比使用ORR正极的电池提高了55.7%和235.1%。这些性能指标是甲酸燃料电池中记录的最高水平之一。
4.密度泛函理论计算和数学模型用于描述所生产催化剂的活性提高及电池的工作原理。此外，该氧化还原燃料电池可以通过使用退化的电解质作为正极燃料，恢复液流电池的容量。例如，经过400次循环测试后，钒氧化还原液流电池的容量可恢复到初始最高水平的97.6%。
5.该电池具有安全性和便利性，为显著延长液流电池的循环寿命提供了可行且经济的解决方案。
原文详情
Dongbo Wei, et al. A novel high-performance all-liquid formic acid redox fuel cell: simultaneously generating electricity and restoring the capacity of flow batteries. Energy Environ. Sci. 2024, https://doi.org/10.1039/D4EE02450H.
PEMFCs作为零排放的发电系统，因其环保性而备受关注。目前，PEMFCs的商业化进程主要受限于成本，其中铂基催化剂的使用占据了总成本的41%。因此，开发无铂金属（PGM-free）氧还原反应（ORR）催化剂以替代铂成为了研究的重点。尽管Fe-NC催化剂在提升酸性ORR活性方面取得了一定进展，但其活性和稳定性仍远低于替代铂基催化剂的要求。
鉴于此，厦门大学孙世刚院士在Nature Communications上发表了题为“A Fe-NC electrocatalyst boosted by trace bromide ions with high performance in proton exchange membrane fuel cells”的最新综述成果。
本文要点：
1.在这项工作中，作者通过调整碳载体的结构和活性中心的化学环境，成功开发了一种高活性的Fe-NC催化剂。
2.实验结果表明，NH4Cl和NH4Br的高温处理对于形成高密度的碳缺陷、介孔和表面微量溴掺杂至关重要，这些因素显著提升了Fe-NC催化剂的ORR活性。
3.表面溴离子的引入使得离子聚合物在催化层表面的分布更加均匀，从而实现了更丰富的三相界面、更快的氧传输和界面电荷转移通道。
4.因此，合成的Fe–NCBrCl催化剂的性能超过了DOE 2025的目标，实现了在氧和空气环境下分别达到1.86和0.88 W cm−2的高峰值功率密度，以及在0.9 ViR-free下54 mA cm−2的电流密度。
5.这一成果为在PEMFCs中替代铂基催化剂、最终克服现有PEMFCs的成本障碍提供了巨大的希望。
原文详情
Yin, S., Chen, L., Yang, J. et al. A Fe-NC electrocatalyst boosted by trace bromide ions with high performance in proton exchange membrane fuel cells. Nat Commun 15, 7489 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41467-024-51858-w
对高能量密度和高功率密度储能设备日益增长的需求，推动了锂金属电池的广泛研究。合适的电解质是开发重要电池配置的关键组成部分。然而，传统锂金属电池中的有机液态电解质由于其固有的不稳定性和可燃性，带来了潜在的安全问题。基于无机导体和聚合物电解质的固态电解质为解决这些问题提供了一个有吸引力的解决方案，这不仅大大提高了能量密度和安全性，还加速了高能量密度锂金属电池系统的实际应用。对于无机固态电解质，尽管其中一些在室温下表现出较高的离子电导率，但其刚性、界面问题以及较差的物理接触仍需改进，以便于实际应用。与无机固态电解质不同，固态聚合物电解质（SPEs）由于其良好的润湿性、柔韧性、易加工性以及与锂金属负极的兼容性，可以改善物理接触并缓解界面问题。然而，这些SPEs的离子电导率往往达不到实际应用所需的水平。因此，提升SPEs的离子电导率是其在锂金属电池应用中的关键方面。
鉴于此，加拿大滑铁卢大学陈忠伟院士在Angewandte Chemie International Edition上发表了题为“Designing Cooperative Ion Transport Pathway in Ultra-Thin Solid-State Electrolytes toward Practical Lithium Metal Batteries”的最新研究成果。
本文要点：
1.在这项工作中，作者设计了具有长程协同离子传输通道的超薄固态电解质，以有效提高离子导电性和稳定性。
2.将聚偏氟乙烯-六氟丙烯（PVDF-HFP）浸渍在氟化共价有机框架（CF3-COF）的孔隙中可以破坏其对称性，实现快速的离子传输并抑制阴离子迁移。
3.CF3-COF的功能团可以与PVDF-HFP相互作用形成快速的Li+传输通道，这使得电解质内Li+的传输均匀且受限。引入CF3-COF还增强了SPEs的机械强度和柔韧性，并确保了均匀的Li沉积和抑制了枝晶生长。
4.因此，作者实现了高达1.21×10-3 S cm-1的显著高导电性。最终，超薄SPEs的超长循环寿命超过9000小时，而NCM523/Li软包电池展示了高容量760 mAh和循环后的96%容量保持率，为实用固态锂金属电池的应用带来了巨大希望。
原文详情
Guo Feng, QianYi Ma, Dan Luo, Tingzhou Yang, Yihang Nie, Zhuoyi Zheng, Leixin Yang, Shibin Li, Qingying Li, Mingliang Jin, Xin Wang, Zhongwei Chen, Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202413306.
https://doi.org/10.1002/anie.202413306
在全球5G普及的时代，先进的储能系统迫切需要满足人工智能、消费电子、电动汽车和电网储能的需求。与传统的石墨负极相比，SiOx（x ≈ 1）负极显著提升了锂离子电池的能量密度，并已成功应用于商业电池中。然而，抑制SiOx颗粒的体积膨胀和减少容量衰减仍然是当前研究中的关键挑战。
鉴于此，中国科学院化学研究所郭玉国在Angewandte Chemie International Edition上发表了题为“Vertically Fluorinated Graphene Encapsulated SiOx Anode for Enhanced Li+ Transport and Interfacial Stability in High-Energy-Density Lithium Batteries”的最新研究成果。
本文要点：
1.在这项工作中，作者提出了一种简便的策略，用于合成表面氟化的SiOx（SiOx@vG-F），并研究了它们对电池性能的影响。
2.系统的实验研究表明，Li+与氟基团之间的反应促进了在SiOx@vG-F阳极表面原位形成富含氟化锂（LiF）的稳定固态电解质界面（SEI），从而有效抑制了SiOx微米级颗粒在充放电循环过程中的粉化。
3.因此，在SiOx@vG-F||LiNi₀.₈Co₀.₁Mn₀.₁O₂全电池中，SiOx@vG-F在1.0 C条件下经过200次循环后仍能保持86.4%的容量保持率。
4.这一方法将为各种能量转换与储存系统中的替代电极材料的发展提供了新的见解。
原文详情
Lin-Bo Huang, Lu Zhao, Zhi-Feng Ma, Xing Zhang, Xu-Sheng Zhang, Zhuo-Ya Lu, Ge Li, Xiao-Xi Luo, Rui Wen, Sen Xin, Qinghai Meng, Yu-Guo Guo, Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202413600.
https://doi.org/10.1002/anie.202413600
钠离子电池（SIBs）因其丰富的资源和高理论能量密度而受到广泛关注，被视为锂离子电池的补充。然而，Na+的相对大半径导致了整个嵌钠/脱钠过程中的动力学迟缓，从而影响了它们的离子存储性能。因此，迫切需要开发具有快速反应动力学、高可逆容量、良好倍率性能和长期循环寿命的新负极材料。锗（Ge）作为IVA族元素，由于其高理论容量（590 mA h g-1）、高导电性（1 S m-1）以及与锡相似的离子扩散速度，被认为是SIBs的有吸引力的合金型负极材料。然而，Ge与Na+的合金化反应伴随着巨大的体积膨胀/收缩，导致巨大的机械应力，引发电极粉碎，固体电解质界面（SEI）膜的不稳定性，以及严重的容量衰减。引入其他低成本金属形成基于锗的三元硫化物不仅可以降低成本，还可以作为原位生成的惰性中间体，缓解Ge在反应中的大体积变化，从而提高整体性能。
鉴于此，澳大利亚阿德莱德大学郭再萍院士在Advanced Materials上发表了题为 “Olivine-Type Fe2GeX4 (X = S, Se, and Te): A Novel Class of Anode Materials for Exceptional Sodium Storage Performance” 的最新研究成果。
本文要点：
1.在这项工作中，作者采用化学气相传输方法合成了橄榄石结构的 Fe2GeX4（X = S、Se 和 Te），以比较它们的钠储存特性。
2.一系列原位和非原位测量验证了 Fe2GeX4 的插层-转换-合金化联合反应机制。Fe2GeS4 在 8Ag-1 的条件下循环 2660 次后显示出477.9 mA h g-1 的高容量和出色的速率能力。
3.此外，Na3V2(PO4)3//Fe2GeS4 全电池在0.5 A g-1 条件下的容量为 375.5 mA h g-1，是商用硬碳的三倍多，初始库仑效率高达 93.23%。
4.容量贡献和动力学分析表明，合金化反应对整体容量有显著贡献，并且是 Fe2GeS4 和 Fe2GeSe4 反应中的速率决定步骤。达到特定循环阈值后，Fe2GeX4 的动力学特性评估主要依赖于充电过程中发生的离子扩散过程。
5.这项研究表明，Fe2GeX4 具有超越硬碳的实用潜力，为三元锗基阳极的发展提供了宝贵的见解和动力。
原文详情
X. Wang, X. Du, J. Luo, L. Li, L. Tan, W. Dong, D. Li, Z. Guo, Olivine-Type Fe2GeX4 (X = S, Se, and Te): A Novel Class of Anode Materials for Exceptional Sodium Storage Performance. Adv. Mater. 2024, 2407492.
https://doi.org/10.1002/adma.202407492
Energy Materials and Devices
Energy Materials and Devices是清华大学主办的全英文开放获取(Open Access)期刊，2023年9月创刊，清华大学康飞宇教授担任主编。作为一本瞄准能源材料前沿领域、国际化的多学科交叉期刊，聚焦能源材料与器件领域的基础研究、技术创新、成果转化和产业化全链条创新研究成果，面向全球发表原创性、引领性、前瞻性研究进展，推动能源科学和产业发展，助力“碳达峰、碳中和”。
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