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），清华大学贺艳兵教授（本刊执行主编），南开大学陈军院士（本刊顾问编委），加拿大滑铁卢大学/中科院大连化物所陈忠伟院士（本刊顾问编委），厦门大学孙世刚院士（本刊顾问编委），加拿大西安大略大学孙学良院士（本刊顾问编委）等课题组在Energy & Environmental Science、Advanced Materials、Nature Communications、Nature Materials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。
钠基电池由于钠的丰富性和低成本，被视为超越锂离子技术的有力替代方案。钠金属作为理想的阳极材料，具备高比容量（1166 mAh/g）和低氧化还原电位（-2.71 V，相对于标准氢电极）。然而，钠金属阳极面临的挑战更为严峻：高反应性导致电解液分解、不稳定的固体电解质界面（SEI）形成以及无法控制的枝晶生长。这些问题限制了钠离子的利用，影响了电池的循环稳定性和安全性。为解决这些问题，研究者们提出了人工SEI、电解液改性、隔膜优化、设计多孔宿主等多种策略。尽管这些方法在低放电深度（DOD < 30%）和厚阳极（300微米至1毫米）条件下表现良好，但在高能量应用中效果有限。此外，当前的研究多采用亲钠宿主/种子层来调控钠的沉积与剥离。然而，这些结构的容量有限，难以避免枝晶形成，特别是在高面积容量（>10 mAh/cm²）和高放电深度（DOD ≥ 80%）条件下，这对钠金属阳极的实际应用构成了重大挑战。
鉴于此，清华大学深圳国际研究生院康飞宇教授团队在Advanced Materials上发表了题为“Stable Cycling of Na Metal Batteries at Ultrahigh Capacity”的最新研究成果。
本文要点：
1.在该文章中，作者通过在钠金属阳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。
2.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。
3.在对称电池测试中，这种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。
4.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阴极（12 mg cm−2），在270个循环后，仍能保持94%的容量保持率。
5.这些结果表明，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。
原文详情
H. Wang, J. Wang, W. Li, J. Hu, J. Dong, D. Zhai, F. Kang, Stable Cycling of Na Metal Batteries at Ultrahigh Capacity. Adv. Mater. 2024, 2409062.
https://doi.org/10.1002/adma.202409062
Energy & Environmental Science：竞争锂离子配位构建三维传输网络，实现复合固态电解质的超高离子导电性！
随着对高功率和安全设备需求的增加，开发能够快速充电的固态锂金属电池（SSLMBs）变得尤为迫切。这些电池需要固态电解质（SSEs）具备高离子导电性、优异的界面稳定性和强大的机械性能。尽管基于聚偏氟乙烯（PVDF）的固态聚合物电解质因其独特的锂离子传输特性受到关注，但它们通常具有低离子导电性和不稳定的溶剂化结构，限制了电池在高电流密度下的性能。此外，这类电解质的多孔结构还会导致锂沉积不均匀和锂枝晶的生长，影响电池的循环稳定性。为了克服这些挑战，研究人员尝试通过将填料与PVDF基质混合来制备复合固态电解质（CSEs），以提高离子导电性，但这种方法难以实现连续高效的锂离子传输网络。因此，设计一种能够合理调控锂离子配位状态及其空间分布的固态电解质，以实现快速充电的SSLMBs，成为了该领域的一个重要研究方向。
鉴于此，清华大学贺艳兵教授在Energy & Environmental Science上发表了题为 “Competitive Li-ion Coordination Constructing Three-Dimensional Transport Network for Ultra-High Ionic Conductivity of Composite Solid-State Electrolyte” 的最新研究成果。
本文要点：
1.在这项工作中，作者提出了一种设计复合固态电解质（CSE）的新策略，通过嵌入交联的金属有机框架（MOF）涂覆的热处理聚丙烯腈（h-PAN@MOF）纤维网络到聚偏氟乙烯（PVDF）电解质中，来调节锂离子的配位竞争。
2.这种设计利用了MOF晶体表面与N,N-二甲基甲酰胺（DMF）分子间的强相互作用，通过C=O与MOF的结合，诱导溶剂化结构的重排，减弱了Li+与DMF的结合强度，从而显著促进了锂离子沿h-PAN@MOF网络的传输，实现了1.03×10–3 S cm–1的高离子导电性。
3.此外，这种竞争性的锂离子配位环境还有助于构建稳定界面，同时h-PAN@MOF网络显著提高了电解质的拉伸强度至20.84 MPa。
4.利用这种PPM电解质的固态锂金属电池在5C的超高速率下实现了1000次循环的稳定循环，展示了其在快速充电固态锂金属电池中的潜在应用价值。
原文详情
Yiteng Ma, et al. Competitive Li-ion coordination for constructing a three-dimensional transport network to achieve ultra-high ionic conductivity of a composite solid-state electrolyte. Energy Environ. Sci. 2024, https://doi.org/10.1039/D4EE03134B.
https://doi.org/10.1039/D4EE03134B
电化学能源存储技术被视为解决大规模能源存储问题的有效方案，尤其锂离子电池已广泛应用于便携电子设备和电动汽车。然而，锂资源稀缺、易燃、高成本等限制了其在大规模储能中的应用。相比之下，水系电解液电池因其安全性、环保性和低成本成为更具前景的选择。镍基电池作为水系电池的代表，因其高电位和良好稳定性而备受关注，但现有的阳极材料（如镉、铁、锌等）并不适合大规模应用。近年来，有机电极材料（OEMs）由于其设计灵活性和可持续性，被视为水系镍-有机电池（ANOBs）的潜力阳极。然而，OEMs的溶解问题限制了它们的广泛应用。为解决这一问题，研究集中在合成大分子材料，如聚合物和有机框架材料。小分子有机物由于高容量和低成本，可能成为ANOBs的有力候选材料，但其溶解问题尚未完全解决。此外，安培小时级的ANOBs电池仍需开发以评估其实用性，了解电极材料与电解液环境的关系将是关键且充满挑战的。
鉴于此，南开大学陈军院士在Advanced Energy Materials上发表了题为 “Ampere-Hour-Scale Aqueous Nickel–Organic Batteries based on Phenazine Anode” 的最新综述成果。
本文要点：
1.在这项工作中，作者将苯并嗪阳极材料成功应用于镍-有机电池，并且已成功组装了安培小时级的软包电池。
2.作者结合各种非原位和原位表征技术以及理论计算，证明了C=N键是活性中心，K+离子在电化学氧化还原过程中充当电荷载体。基于Nernst-Brunne方程和分子动力学模拟，深入研究了电极材料溶解与电解液环境之间的关系。
3.作者证明了高浓度KOH电解液可以抑制PZ的溶解。PZ阳极可以在0.5 C下提供281.6 mAh g−1的高初始比容量，库仑效率为98.6%，并且在30 C下经过14,000个循环后容量保持率为74.3%。
4.组装的软包型电池的容量为1.23 Ah，实现了基于电池总质量的50 Wh kg−1的高能量密度。此外，安培小时级电池能够稳定运行超过300个循环，几乎不出现容量衰减。
5.这项工作证明了水系镍-有机电池在大规模能源存储应用中的潜力。
原文详情
X. Liu, Y. Ni, Z. Yang, Y. Lu, W. Xie, Z. Yan, J. Chen, Ampere-Hour-Scale Aqueous Nickel–Organic Batteries based on Phenazine Anode. Adv. Energy Mater. 2024, 2403628.
https://doi.org/10.1002/aenm.202403628
水系锌离子电池因其安全、环保、资源丰富和组装条件简单而成为极具潜力的下一代电化学储能系统。然而，锌负极上锌枝晶的形成和生长严重阻碍了锌离子电池的实际应用。亲锌设计能使锌均匀成核/沉积，为实现无枝晶锌负极提供了有效的解决方案。尽管亲锌设计领域取得了重大进展，但目前该领域的研究仍缺乏明确的分析和指导。
鉴于此，加拿大滑铁卢大学/中科院大连化物所陈忠伟院士在Advanced Functional Materials上发表了题为 “Zincophilic Design for Highly Stable and Dendrite-Free Zinc Metal Anodes in Aqueous Zinc-Ion Batteries” 的最新研究成果。
本文要点：
1.在这项工作中，作者旨在对促进无枝晶锌负极的机制及当前研究现状进行全面评述，重点探讨三大方面：锌负极上锌亲和层的构建、电解液中的锌亲和添加剂以及三维锌亲和宿主的设计。
2.本文的目标是突出无枝晶锌负极的研究价值，为未来学者提供重要的研究基础。
3.此外，还简要讨论了锌离子电池工业化和商业化过程中面临的挑战。
4.通过客观评估现有的研究成果，作者将揭示研究中的不足和空白，旨在为后续研究者提供指导思路。
原文详情
J. Zhang, L. Mao, Z. Xia, M. Fan, Y. Deng, Z. Chen, Zincophilic Design for Highly Stable and Dendrite-Free Zinc Metal Anodes in Aqueous Zinc-Ion Batteries. Adv. Funct. Mater. 2024, 2412547.
https://doi.org/10.1002/adfm.202412547
贵金属铂（Pt）基催化剂因其高效催化氧气还原反应（ORR）的能力，在质子交换膜燃料电池（PEMFCs）中起着关键作用。然而，Pt的稀缺性和高成本限制了质子交换膜燃料电池的大规模商业化。非贵金属催化剂价格低廉、资源丰富，已被证明具有优异的酸性ORR性能。为此，研究者们正积极探索开发非贵金属催化剂，以降低成本并实现可持续发展。
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” 的最新研究成果。
本文要点：
1.在这项工作中，作者通过在热解过程中引入NH4Cl和NH4Br，利用其分解产生的NH3和酸性气体HCl、HBr，实现调控碳载体的微观结构和活性位点的化学环境的目的，成功开发出一种高效的Fe-NC催化剂。
2.NH4Cl和NH4Br的高温处理具有三重作用：形成高密度碳缺陷；创造丰富的介孔结构；表面微量溴离子掺杂，这些因素显著提升了Fe-NC催化剂的ORR活性。
3.实验结果表明，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，进而实现了更丰富的三相界面、更快速的氧气传输和界面电荷转移路径。
4.该催化剂（Fe–NCBrCl）的性能超越了美国能源部（DOE）2025年的指标，在氧气和空气环境下分别实现了1.86和0.88 W cm−2的峰值功率密度，并在0.9 ViR-free条件下达到了54 mA cm−2的电流密度。
5.这一成果为在PEMFCs中取代铂基催化剂，最终克服现有PEMFCs的成本障碍提供了可能。
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
钠离子电池因其丰富的资源和低成本，在大规模储能系统中具有巨大潜力，尤其适用于可再生能源储存和电网调度。然而，钠离子电池面临两大挑战：较低的能量密度（约160 Wh/kg）和有机液态电解液带来的安全隐患。全固态钠离子电池（ASSNIBs）有望解决这些问题，具备三大优势：1. 固态电解质（SSEs）取代易燃液态电解液，提升安全性；2. 双极叠层设计显著提高体积能量密度；3. 搭配钠金属负极可防止枝晶生长，增强循环稳定性和能量密度。尽管ASSNIBs潜力巨大，当前无机固态电解质（如氧化物、硫化物、卤化物等）仍存在局限，主要依赖单一阴离子框架，难以全面满足高能量密度电池需求。因此，开发基于混合阴离子框架的新型固态电解质有望突破这一瓶颈，推动全固态钠离子电池技术的革新。
鉴于此，加拿大西安大略大学孙学良院士在Nature Materials上发表了题为 “A family of dual-anion-based sodium superionic conductors for all-solid-state sodium-ion batteries” 的最新研究成果。
本文要点：
1.在这项工作中，作者通过引入双阴离子基钠超离子导体（NMOCs）系列，在ASSNIB的开发方面取得了突破性进展。
2.这些NMOC电解质利用氯氧化物的双阴离子亚晶格，具有高达2.0 mS cm-1的优异离子电导率，良好的机械延展性和高氧化稳定性。
3.该研究结果表明，Na+离子迁移率的提高主要得益于氯氧化物框架的创新结构，其通过桥接和非桥接氧的协同效应优化了离子传输路径，并最大限度地减少了迁移能垒。
4.值得注意的是，NHOC基ASSNIBs具有出色的循环稳定性，在室温0.2 C下循环700次后仍能保持78%的容量，这突出表明了界面兼容性在延长电池寿命和效率方面的关键作用。
5.这些发现为下一代SSEs的开发开辟了道路，并强调了采用混合阴离子系统提高储能技术的深远影响，有可能改变未来电池设计和应用的方法。
原文详情
Lin, X., Zhang, S., Yang, M. et al. A family of dual-anion-based sodium superionic conductors for all-solid-state sodium-ion batteries. Nat. Mater. (2024).
https://doi.org/10.1038/s41563-024-02011-x
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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