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提起材料领域的大牛，斯坦福大学“双子星”崔屹教授和鲍哲南教授一定榜上有名。两人同为斯坦福大学的华人科学家，一个醉心于纳米能源领域电池技术，一个专注于人工智能电子皮肤，在各自领域发表的牛文不胜枚举。今天我们要说一说崔屹教授和鲍哲南教授两人在科研路上的“不解之缘”。
两人的首次合作始于2011年。机缘巧合之下，两个人合作研究纳米复合电极材料，通过将多孔纺织物的纤维浸泡在石墨烯溶液中，进而利用电沉积负载MnO2，得到具有超长循环寿命、高电容的纳米复合电极材料。这项工作引起了众多科研工作者的关注，同时也被《Nature》杂志highlight，截止目前引用次数高达990次。旗开得胜以后，二人的合作便一发不可收，研究内容涉及氧化物、锂金属电池、锂硫电池、硅负极以及聚合物电解质等等诸多领域，且每一项都堪称经典！毫不夸张地说，崔屹大神在能源存储领域的资深造诣，加上鲍哲楠女神在有机、高分子材料领域的卓越成就，强强联合，为电池技术注入新的生命力，让电储能领域实现了一次又一次的突破！
崔屹大神和鲍哲南女神的首次合作。图片来源：Nano Lett. 2011, 11, 7, 2905–2911下面小编就简略梳理了2013-2020年崔屹和鲍哲南教授两人强强合作的重要研究成果。限于篇幅，仅列举顶级期刊以及两人为共同通讯作者的相关工作：1. JACS: 具有高电化学稳定性的新型离子导电氟化醚电解质在保持稳定的锂金属沉积/剥离和高离子电导率的同时，提高电解质的氧化稳定性是一个巨大的挑战。因此，迫切需要设计和合成新的电解质，如将醚溶剂的高离子电导率与氢氟醚的高氧化稳定性相结合，以同时支持锂金属和高压阴极。为应对这一挑战，斯坦福大学崔屹教授和鲍哲南教授团队联合设计了一种合成新型氟化醚电解质的新方法，即通过氟化核心与醚“端基”共价键合，从而实现单一电解质中高离子电导率与高氧化稳定性的统一。同时，以模块化的方式改变醚基的长度和类型，以及氟化链段的长度，系统地研究了这种新型电解质结构-性质的关系。研究发现，所制备的新型氟化醚电解质具有较长的醚基团和较短的氟化链段时，离子电导率高达2.7x10-4 S/cm（在30°C时），并且具有高达5.6 V的氧化电压。核磁共振（NMR）光谱和分子动力学（MD）模拟显示，随着醚段的增加和氟段的缩短，氟化醚中的离子电导率会增加。研究人员进一步将该电解质应用于高电压Li-NMC 811电池，所组装的电池可以在高达C/5的倍率下稳定循环100次以上。A new class of ionically conducting fluorinated ether electrolyteswith high electrochemical stability. J. Am. Chem. Soc. 2020. DOI:10.1021/jacs.9b11056https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.9b110562. Adv. Energy Mater.：改善锂金属负极界面的非极性烷烃电解液添加剂锂金属与电解质之间的副反应会导致电池的库伦效率降低，电池性能急剧下降。因此需要开发无反应活性的电解质添加剂，以降低锂金属/电解质界面处电解质溶剂的表面浓度，同时永久存在于电池中并保持其浓度基本不变。鉴于此，斯坦福大学的鲍哲南教授和崔屹教授联合报道了一种非极性烷烃作为锂电池电解液中的无反应活性添加剂。研究表明，将烷烃添加到醚溶剂中不仅可将锂沉积的成核和生长的过电势减半，增加了电池库仑效率，而且改善了锂沉积形貌，提高了电解质的氧化稳定性，并将循环寿命延长了一倍。增强的电化学性能主要得益于，非极性烷烃改变了锂离子的溶剂化环境并降低了溶剂化自由能，因而减少了锂沉积的反应势垒。同时，该工作证实，探索非极性烷烃作为电解液添加剂的性能和机制是控制锂金属沉积的绝佳策略。Nonpolar Alkanes Modify Lithium-Ion Solvation for Improved Lithium Depositionand Stripping. Adv. Energy Mater.2019, DOI:10.1002/aenm.201902116.https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.201902116 3. Nat. Commun.: 离子电导率和力学性能兼顾的超分子锂离子导体可穿戴电子产品需求的快速增长对电极材料提出了更高的要求，例如需要兼具良好的机械强度、可拉伸性能以及离子电导率的聚合物电解质。为应对这一挑战，斯坦福大学鲍哲南教授、崔屹教授和上海交大颜徐州研究员（共同通讯作者）等人联合报道了一种将离子导电率和聚合物电解质的机械强度解耦的有效策略，并设计了一种超分子锂离子导体（SLIC）。其中，具有低Tg聚醚主链单元提供离子导电性，而动态键耦合的2-脲基-4-嘧啶酮（UPy）主链单元提供机械性能，从而获得了具有29.3±1.4 M Jm-3的超强韧性和室温下离子导电率为1.2±0.21×10-4 S cm-1的聚合物电解质。此外，研究人员将这种超分子锂离子导体制备成粘结剂材料，采用传统浆料工艺制备应变能力超过900%的可拉伸锂离子电池电极。这些电池组分的超分子性质使得它们能够在电极-电解液界面上紧密结合。利用这些可伸缩组件构建的电池容量高达1.1 mAh cm-2，甚至在70%的应变条件下维持正常工作。该工作报道的将离子导电与力学性能分离的方法为制备高韧性储能离子输运材料开辟了一条很有前途的途径。Decoupling of mechanical properties and ionic conductivity insupramolecular lithium ion conductors. Nat. Commun. 10, 5384 (2019). DOI:10.1038/s41467-019-13362-4https://www.nature.com/articles/s41467-019-13362-44. Energy Environ. Sci.: 绿色、低成本的浓缩乙酸盐混合“盐包水”水系电池电解质电解质是能量存储设备的重要组成部分。电解质成分对电池的安全性，价格和性能有重大影响。本质上不可燃的水性电解质可以提供更安全的电池操作并降低相关的毒性，但是与传统的有机电解质相比，其电化学稳定性窗口（以及能量密度）更小。虽然最近提出的高浓度“盐包水”电解质提供了扩展的电化学稳定性窗口，但是由于缺乏水溶性足以满足盐包水条件的锂盐，只能选择限于有毒且成本高的有机酰亚胺。为了应对开发新的盐包水型电解质配方的挑战，斯坦福大学的崔屹教授和鲍哲南教授提出了一种混合阳离子策略，即利用乙酸钾的高溶解度，在水与阳离子摩尔比低至1.3的锂和乙酸钾的共晶混合物中达到WIS条件。研究发现，乙酸钾基高浓度电解质可以提供与酰亚胺基电解质相同的扩展电压范围优势，并且可以与传统锂离子电池电极材料的相容性，同时成本低廉且环保良性。这项工作为安全，低成本和高性能的水性锂离子电池的实际实现提供了重要的方向。
Concentrated mixed cation acetate “water-in-salt” solutions as greenand low-cost high voltage electrolytes for aqueous batteries. Energy Environ.Sci., 2018, 11, 2876-2883. DOI: 10.1039/C8EE00833G.https://pubs.rsc.org/no/content/articlehtml/2018/ee/c8ee00833g5. Adv. Energy Mater.：交联聚（四氢呋喃）作为松散配位的聚合物电解质固体聚合物电解质（SPE）有望大大改善锂离子电池（LIB）的安全性和性能。然而，基于常规聚环氧乙烷（PEO）的SPE面临着离子电导率和迁移率较低的问题，阻碍了其进一步商业化应用。鉴于此，斯坦福大学鲍哲南教授和崔屹教授（共同通讯作者）引入交联的聚四氢呋喃（xPTHF）作为“超越PEO”的松散配位的高性能SPE。与常用的xPEO系统相比，xPTHF具有0.53的高转移数，良好的电化学稳定性和更高的锂电导率。此外，xPTHF10 SPE在高达234°C的温度下还表现出良好的热稳定性，并具有灵活、独立、易于加工的外形尺寸。当整合到全固态LFP电池中时，具有xPTHF10 SPE的电池在70°C和1C倍率下表现出比容量为162 mAh g-1。分子添加剂（例如DMF和PC）可以进一步调节Li+ 配位环境，使xPTHF5DMF2:1 基SPE的室温离子电导率达到1.2×10-4 S cm-1。进一步将塑化的xPTHF SPE组装成全固态LFP电池，它可以在室温和C/10的倍率下具有高达129 mAh g-1的比容量。
Crosslinked Poly(tetrahydrofuran) as a Loosely Coordinating PolymerElectrolyte. Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1800703. DOI: 10.1002/aenm.201800703
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.2018007036. Adv. Mater.: 弹性锂离子导体的双交联设计目前固态电解质的一个巨大的挑战在于机械性能和离子电导率的完美统一。鉴于此，斯坦福大学崔屹教授和鲍哲南教授团队首次设计了一种具有双共价和动态氢键交联的弹性锂离子导体，不仅具有更大的弹性，同时还不牺牲室温离子电导率。聚环氧丙烷弹性体（ePPO）通过静电共价键的组合提供弹性，酰胺基团之间的动态牺牲氢键可消除应力。选择聚醚胺前体是因为其可转化为氢键合酰胺，PPO主链形成无定形而不是由PEO形成的结晶域。将线性二胺引入以增加交联的分子量，降低了材料的模量，并使纯聚合物的应变能力从250％增加到500％。将其用作Li/LiFePO4电池的电解质和粘合剂，组装后的电池可以在室温下以152 mAh g-1的高阴极容量运行300次，即使经过严格的机械冲击测试，也可以保持稳定运行。这种新的双交联设计不仅为固态电解质提供了强大的机械性能，同时保持了与最先进的聚合物基电解质相似的离子电导率。即使在极端使用情况下，这种方法也为固态电池的稳定、高性能运行开辟了道路。A Dual‐Crosslinking Design for ResilientLithium‐Ion Conductors. Adv. Mater. 2018, 30, 1804142. DOI:10.1002/adma.201804142https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201804142Part 2. 锂金属阳极
1. Joule: 稳定锂金属阳极的动态、电解质阻塞和单离子导电网络
锂金属阳极的发展一直受限于自然形成的固态电解质的异质性和不稳定性。通过合理设计人造SEI来调节界面的保形保护、快速离子迁移和抑制副反应形成，是一种实现理想界面的有效策略。鉴于此，斯坦福大学鲍哲南教授和崔屹教授联手设计了一种新型的人工SEI，即动态单离子导电网络（DSN）。DSN结合四面体Al(OR)4− （R=软氟化连接基）中心，既是动态键合基元，又是反阴离子，赋予其流动性和Li+单离子导电性。同时，氟化连接体提供链流动性和电解质阻塞能力。研究发现，溶液处理的DSN涂层可同时阻止电解质渗透，减轻锂与电解质之间的副反应，维持低界面阻抗，并允许均匀的锂沉积。采用该涂层，Li || Cu电池能够完成400次以上的嵌入/脱嵌循环，并且Li || NMC的全电池在经过160次循环后仍然能够保持85%的容量。
A Dynamic, Electrolyte-Blocking, and Single-Ion-Conductive Networkfor Stable Lithium-Metal Anodes. Joule 2019, 3, 2761–2776. DOI: 10.1016/j.joule.2019.07.025.https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S25424351193036912. ACS Energy Lett.：高粘弹性聚合物涂层助力高性能锂金属阳极
锂枝晶生长和库仑效率低的问题是难以克服的挑战。从根本上讲，这两个问题是由于固体电解质中间相（SEI）层的不稳定性而引起的，该不稳定性很容易被电池循环过程中的大体积变化所破坏。在这项工作中，我们表明，当将高粘弹性聚合物应用于锂金属电极时，锂沉积的形态会变得更加均匀。在5 mA / cm2的高电流密度下，我们获得了一个平坦而致密的锂金属层，并且在1 mA/ cm2的电流密度下，观察到稳定的循环库仑效率约为97％，可维持180多个循环。
High-Performance Lithium Metal Negative Electrode with a Soft andFlowable Polymer Coatinghttps://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsenergylett.6b004563. J. Am. Chem. Soc.：聚合物涂层对锂金属电沉积行为的影响锂金属电池的实际应用一直存在着枝晶生长、低库伦效率以及循环寿命等问题。虽然近年来研究人员采取了许多方法来稳定锂金属-电解质界面，包括柔性聚合物涂层已经能够实现高倍率和高容量的锂金属循环性能，但是如何指导研究人员进一步合理的设计或者改性聚合物涂层，还没有明确的指导方案。有鉴于此，斯坦福大学鲍哲南教授和崔屹教授团队系统研究了具有不同化学组分和机械性能变量的多种聚合物涂层对锂金属沉积行为的影响，且聚合物介电常数和表面能确定为锂沉积尺寸的两个关键指标。这项工作为锂电沉积工艺提供了新的基础见解，并为设计新的聚合物涂层以更好地稳定锂金属阳极提供了指导。
Effects of Polymer Coatings on Electrodeposited Lithium Metal. J.Am. Chem. Soc. 2018, 140, 37, 11735–11744. DOI: 10.1021/jacs.8b06047.https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.8b06047 4. J. Am. Chem. Soc.：表面氟化增强活泼电池负极材料的稳定性含Li的高容量负极，包括Li金属和预锂化Si，需要致密且均匀的LiF钝化界面层，以应对在电池制备过程中和循环过程中严重的环境腐蚀。鉴于此，斯坦福大学鲍哲南教授和崔屹教授团队开发了一种简便的表面氟化工艺，通过使用含氟聚合物CYTOP作为前体，在反应性阳极材料上原位生成的氟气形成均匀且致密的LiF涂层。作为理想的高分子聚合物氟源，CYTOP在较低温度下分解和释放纯氟气体，避免直接处理高毒性氟气。此外， LiF包覆层为Li金属负极提供具有化学稳定性和机械强度的界面层，通过使与碳酸型电解液的腐蚀反应最小化从而达到抑制枝晶形成的效果。因此，LiF包覆的Li金属电池在电流密度为5mAcm-2时，可以稳定循环300圈，且无枝晶生成。此外，致密和结晶的LiF包覆层改善了LixSi NPs在潮湿空气和常规浆料溶剂（NMP）中的稳定性，表明LiF-LixSi NPs与工业电极制造工艺具有兼容性。使用LiF包覆层，电解液的分解得到了有效的抑制，因此在长期循环期间LiF-LixSiNPs始终保持高的CE（平均CE为99.92％，从第三循环至第650循环）。这种简便的表面氟化工艺对现有的锂离子电池和下一代锂金属电池的发展具有重要意义。Surface Fluorination of Reactive Battery Anode Materials forEnhanced Stability. J. Am. Chem. Soc.，2017，DOI: 10.1021/jacs.7b05251https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.7b05251Part 3. 锂离子电池硅负极
1. Nat. Commun.: 原位聚合导电聚合物水凝胶实现高性能硅负极
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硅负极材料因其较高的理论容量而受到人们的广泛关注。然而，其充放电过程中巨大的体积膨胀会导致循环稳定性降低。为解决这一问题，斯坦福大学崔屹教授和鲍哲南教授通过原位聚合将Si纳米粒子封装在纳米结构的3D多孔导电聚合物框架中来实现高性能锂离子电池负极。这种分层的水凝胶框架结合了多个有利功能，包括连续的导电聚苯胺网络，与植酸的交联剂氢键或带正电的聚合物的静电相互作用与Si表面结合以及用于Si粒子体积膨胀的多孔空间。所制备的硅负极成功实现了高容量和极其稳定的电化学循环，在电流密度6.0 A g-1下可以连续深度循环多达5,000次，且保持了90％以上的容量。此外，溶液合成和电极制造工艺具有高度的可扩展性，并且与现有的浆料涂覆电池制造技术兼容，对高性能复合电极规模化生产。Stable Li-ion battery anodes by in-situ polymerization of conductinghydrogel to conformally coat silicon nanoparticles. Nat. Commun. 4, 1943(2013). DOI：10.1038/ncomms2941https://www.nature.com/articles/ncomms29412. Nat. Chem.: 自愈合硅微米颗粒阳极助力高能量密度锂电池
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自修复损伤的能力（又称为自愈）是自然界的重要生存特征，因为它可以延长大多数生物的寿命。对于可再充电电池，因为在循环过程中产生的机械断裂会缩短诸如硅阳极之类的高容量电极的寿命，因而具有自愈特征的电极材料同样十分重要。受自然界的启发，斯坦福大学崔屹教授和鲍哲南教授首次将自修复化学技术应用于硅微米颗粒（SiMP）阳极，以克服其循环寿命短的缺陷。研究结果表明，由低成本SiMP（〜3-8 µm）制成的阳极以前无法实现稳定的深恒电流循环（小于9次循环），而使用自修复聚合物（SHPs）涂覆后阳极具有出色的循环寿命，可以稳定循环90圈并保持初始容量的80%。循环寿命是其他报道的SiMP阳极的十倍，并且容量高达约3,000 mA h g-1。循环过程中涂层的裂纹和损坏可以通过SHPs聚合物分子链之间的无规支化氢键自发地修复。这种自愈电极的新概念也可用于在电化学反应过程中遭受机械问题的其他材料，包括燃料电池，水分解和催化的电极材料。
Self-healing chemistry enables the stable operation of siliconmicroparticle anodes for high-energy lithium-ion batteries. Nature Chem 5,1042–1048 (2013). DOI:10.1038/nchem.1802https://www.nature.com/articles/nchem.18023. Adv. Energy Mater.：自愈合粘结剂助力高面积容量的硅微米颗粒阳极虽然自修复聚合物（SHPs）能够有效减缓硅微米颗粒阳极，但是目前尚未实现高Si质量负载和长期循环稳定性。针对上述问题，斯坦福大学崔屹教授和鲍哲南教授提出了一种新的电极设计，即通过将SHP 3D分布到Si颗粒层中，以缩短扩散路径，促进更快的愈合响应。基于此设计，所制备的硅阳极成功实现了低成本Si微米颗粒的高面积容量（3-4 mAh cm-2）和超过140圈的稳定循环寿命。该设计的优势特征在于：i）很高的面积容量，接近实际电池需求；ii）材料基于低成本的冶金硅粉；iii）通过使用可分级的沉淀-浮选工艺或球磨来选择合适的Si粒度，从而实现最佳性能。
High‐Areal‐CapacitySilicon Electrodes with Low‐Cost Silicon ParticlesBased on Spatial Control of Self‐Healing Binder. Adv.Energy Mater., 5: 1401826. DOI: 10.1002/aenm.201401826https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.2014018264. Adv. Mater.：自愈合弹性聚合物涂层实现高容量可拉伸石墨碳/硅阳极通常，无机活性电极材料是刚性的和硬的。实现可拉伸电极的主要方法是用不可拉伸的活性材料制成可拉伸的结构。尽管已经有一些成功的例子，例如在预应变的聚二甲基硅氧烷（PDMS）基底上弯曲的Li4Ti5O12/碳纳米管薄膜和类似弹簧的碳纳米管纤维，但仍然没有报道的高容量可拉伸性电极。鉴于此，斯坦福大学崔屹教授和鲍哲南教授首次展示了通过保形涂覆新合成的自修复弹性聚合物，成功实现了高容量可拉伸石墨碳/硅泡沫电极。与先前报道的超分子自愈聚合物不同，这种材料由于共价交联键和牺牲氢键的结合而变得更加坚硬，并且在大范围的应变下具有弹性。研究表明，自修复弹性体被均匀地涂覆在3D石墨碳/硅泡沫上，并赋予复合电极高拉伸性（高达88％），并在25％应变下承受1000次拉伸释放循环，而不会增加有害阻力。所制备的石墨碳/ Si复合电极的总容量达到719 mAh g-1，是可拉伸锂离子电池广泛使用的Li4Ti5O12阳极材料的四倍，并在100次循环后保持其电量的81％。A Stretchable Graphitic Carbon/Si Anode Enabled by Conformal Coatingof a Self‐Healing Elastic Polymer. Adv. Mater., 28:2455-2461. DOI:10.1002/adma.201504723.https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.2015047235. Adv. Energy Mater.：高离子导电性自修复粘结剂用于高性能硅微粒阳极
充放电过程中，硅负极伴随着巨大的体积变化（300%~400%），导致电极结构崩塌和活性材料的剥落，进而使电极失去电活性接触，同时不稳定的电极/电解质界面会加剧电极与电解质间副反应的发生。针对此类问题，斯坦福大学崔屹教授和鲍哲楠教授（共同通讯作者）团队设计了一种新型聚合物粘合剂，实现了电极材料高容量、优异的循环及倍率性能。研究人员将聚乙二醇（PEG）基团引入自修复高分子材料（SHP）得到一种新型聚合物（SHP-PEG），并将其作为微米硅负极的粘结剂使用。该SHP-PEG粘合剂将SHP的自修复能力和PEG的Li离子传导能力结合起来，使微米硅颗粒和电解质之间的界面得到有效改善。得益于粘合剂的自愈合能力和高离子导电性，硅颗粒在多次循环后仍能保持导电性，同时电极与电解质间的副反应受到了有效抑制。此外，硅颗粒和电解质间高效的Li离子电荷转移能力,使电极材料展现出了优异倍率性能。Ionically Conductive Self‐Healing Binder for Low Cost Si Microparticles Anodes in Li‐Ion Batteries. Adv.Energy Mater. , 2018, DOI: 10.1002/aenm.201703138https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.201703138Part 4. 锂硫电池
1. Joule: 基于醌的氧化还原介体促进Li-S电池中的Li2S氧化
在锂硫（Li-S）电池中，硫和硫化锂（Li2S）的绝缘性导致极化大和硫利用率低，而可溶性多硫化物在循环时导致内部穿梭。此外，溶解-沉淀途径的氧化还原反应会钝化氧化还原反应的活性界面而破坏了电极结构，从而影响电池性能。鉴于此，斯坦福大学崔屹教授和鲍哲南教授团队向电解质中引入醌衍生物作为氧化还原介体（RM），以促进Li2S的氧化。同时，通过调整醌衍生物的特定性质：氧化还原电位，溶解度和电化学稳定性，可以提高电池性能。研究发现，使用基于醌的RM可以有效防止死Li2S的沉积，从而降低极化，延长循环寿命。基于定制的醌RM组装的Li2S电极在0.5C下的初始充电电位在2.5V以下，且放电比容量高达1300 mAh g-1。Designing a Quinone-Based Redox Mediator to Facilitate Li2SOxidation in Li-S Batteries. Joule 2019, 3, 872–884. DOI: 10.1016/j.joule.2018.12.018https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S254243511830624X2. ACS Nano: 导电聚合物PEDOT:PSS涂层改善Li-S电池的性能可充电锂硫（Li–S）电池具有较高的理论比能量，较低的材料成本和环境安全性，因此在下一代高性能储能系统中表现出巨大的潜力。其商业化的主要障碍之一是由于多硫化物溶解和不受控制的再沉积导致的快速容量衰减。由于多孔碳基质可以困住多硫化物，多孔碳结构已被用于改善Li-S电池的性能。但是，如果没有有效的涂层覆盖碳/硫颗粒，长时间后多硫化物仍会扩散。鉴于此，斯坦福大学崔屹教授和鲍哲南教授团队通过将导电聚（3,4-乙撑二氧噻吩）-聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT：PSS）涂覆到中孔碳/硫颗粒上，达到了使多硫化物从中孔碳基质中的扩散最小化的目的。表面涂覆后，硫电极的库仑效率从93％提高到97％，容量衰减从40％/ 100个循环减少到15％/ 100个循环。此外，聚合物涂层的放电容量比裸露涂层高出约10％，在C/5倍率下初始放电容量为1140mAh g-1，经过150次循环后的稳定放电容量超过600 mAh g-1。Improving the Performance of Lithium–Sulfur Batteries by ConductivePolymer Coating.ACS Nano 2011, 5, 11, 9187–9193. DOI: 10.1021/nn203436j.https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nn203436j3. ACS EnergyLett.: 吡啶官能团化聚合物的高效键合增强硫电极的稳定性多孔碳由于其高导电性和高表面积，以前已被广泛用作硫（S）电极的主体材料。然而，它们通常缺乏强大的化学亲和力来稳定多硫化物。虽然已经使用导电聚合物来稳定S电极，但是先前使用的导电聚合物通常是不溶的，将其从溶液均匀地涂覆到非极性碳基质上是一个挑战。鉴于此，斯坦福大学崔屹教授和鲍哲南教授团队开发了一种新的部分共轭聚合物设计策略，用于高硫含量和稳定的硫电极。该策略利用（1）吡啶基序创建牢固的Li2Sx键合，这已通过XPS和模拟得到证实，（2）基于聚噻吩的共轭骨架提供导电性，（3）在主链中合理引入极性部分，以提供多孔结构和良好的溶解性。有趣的是，与侧链官能化的聚合物P30-S（81％）相比，主链改性的聚合物P30-B经过100个循环的具有更高的循环保留率（90％）。重要的是，新设计策略提供了实现改进的混合硫电极所需的关键功能，使电池性能在高达90％的高硫含量下经过300个循环后容量保持率为80％，这是其他聚合物设计的硫阴极系统无法实现的。Enhanced Cycling Stability of Sulfur Electrodes through EffectiveBinding of Pyridine-Functionalized Polymer. ACS Energy Lett. 2017, 2, 10,2454–2462. DOI: 10.1021/acsenergylett.7b00772https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsenergylett.7b007721. Nature Energy: 高可逆容量钠有机电池由于具有高理论比容量501 mAh g-1和丰富储量，玫棕酸钠（Na2C6O6）是钠离子电池最有希望的阴极之一。但是，与理论值相比，已报道的玫棕酸钠可逆容量很低，且制约因素并不清晰。鉴于此，斯坦福大学的鲍哲楠教授和崔屹教授（共同通讯作者）共同探索并揭示了Na2C6O6在循环过程中可逆容量受限制的原因。研究表明，充放电过程中Na2C6O6会在α-Na2C6O6与γ- Na2C6O6之间发生不可逆的相变，这是Na2C6O6氧化还原活性下降的起源。为了解决这一问题，可以通过减小Na2C6O6的晶粒尺寸并选取合适的电解质溶液的方法降低该相变的活化能垒，使充放电过程中α-N Na2C6O6与γ- Na2C6O6之间的相变具备高度可逆的特征，实现了在每个Na2C6O6晶胞中可逆储存4个钠原子的储钠机制，从而实现了高的可逆容量及循环稳定性。电化学测试表明，当选取溶剂化作用强的二甘醇二甲醚（DEGDME）作为电解质溶液时，纳米Na2C6O6正极能达到484 mAh/g的可逆容量及726 Wh/kg的能量密度（基于Na2C6O6正极），其能量效率高达87%，并具有较高的容量保持率。该Na2C6O6正极的比能量高达其理论值的96.6%，并超过了之前报导的所有钠离子电池正极材料。High-performance sodium–organic battery by realizing four-sodiumstorage in disodium rhodizonate. Nat. Energy 2, 861–868 (2017). DOI: 10.1038/s41560-017-0014-y.https://www.nature.com/articles/s41560-017-0014-y/2. J. Am. Chem. Soc.：二维导电金属-有机骨架中六氨基苯的稳定性用于高功率钠存储氧化还原活性有机材料作为可再充电电池的电极受到越来越多的关注。然而，氧化还原条件下电子电导率低以及化学和结构稳定性差等缺点限制了其应用。鉴于此，斯坦福大学的鲍哲楠教授和崔屹教授（共同通讯作者）报告了一种新型的钴基二维导电金属有机框架（MOF）Co-HAB，它通过氧化还原活性连接基六氨基苯之间的共轭配位，具有稳定、可访问、致密的高功率储能装置活性位点（ HAB）和Co（II）中心。鉴于Co-HAB具有稳定反应性HAB的出色能力，首次成功证明了每个HAB可逆的三电子氧化还原反应，从而为钠离子存储提供了一种有希望的新型电极材料。具体而言，通过Co-HAB的合成可调性，实现了1.57 S cm-1的整体电导率，从而实现了极高的倍率能力，可在7分钟内提供214 mAh g-1或在45 s内提供152 mAh g-1。同时，在将有效质量负载增加至9.6 mg cm–2时，面积容量几乎呈线性增加，仅含微量导电剂便达到2.6 mAh cm–2。Stabilization of Hexaaminobenzene in a 2D Conductive Metal–OrganicFramework for High Power Sodium Storage. J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 32,10315–10323. DOI:10.1021/jacs.8b06020https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.8b060201. Nature Energy: 快速可逆的热敏聚合物开关材料，防止锂电池过热起火安全问题一直是阻碍下一代高能量密度电池大规模应用的瓶颈问题，特别是电池因过热而起火。为应对这一挑战，斯坦福大学“双子星”鲍哲南教授和崔屹教授携手合作，报道了一种很有潜力的新技术，成本低，以防止锂电池过热。他们在传统的锂离子电池中增加了一个热敏高分子聚合物薄膜“开关”材料，如果电池温度过高就会迅速“掐断”电池内的电路，使之降温；一旦温度降至正常，该聚合物薄膜也恢复正常状态，让电池重新工作。该材料由电化学稳定的石墨烯涂层的尖峰镍纳米颗粒混合而成，纳米颗粒混合在具有高热膨胀系数的聚合物基质中。制成的聚合物复合膜在室温下显示出高达50 S cm-1的高电导率。重要的是，聚合物复合膜的电导率可以在在达到转变温度时在一秒钟内降低七到八个数量级，并在室温下自发恢复。内置有这种自我调节材料的电池可在异常条件（例如过热和短路）下迅速关闭，并能够恢复其正常功能，而不会影响性能或造成热失控。Fast and reversible thermoresponsive polymer switching materials forsafer batteries. Nat Energy 1, 15009 (2016). DOI:10.1038/nenergy.2015.9https://www.nature.com/articles/nenergy20159![]()
来源：高分子科学前沿
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