1. Nature Commun.：一種基于有機硫醇原位轉化的人工雙固體電解質界面用于鋰硫電池
鋰硫電池中鋰金屬負極界面的不穩定性和鋰多硫化物的穿梭效應阻礙了鋰硫電池的商業化應用。近日，鄭州大學付永柱教授報道了一種極有前途的電解質添加劑，即1,3,5-benzenetrithiol （BTT），用于制備雙SEIs（D-SEIs），包括鋰金屬負極上的交換反應和硫正極上的電化學聚合。1）BTT通過高活性的S-H基團與Li和S進行原位反應，生成了由S-Li和S-S鍵組成的界面層。原位形成的S-X（X為Li或S）鍵調節了鋰的沉積/剝離行為，改變了硫正極的氧化還原路徑，從而提高了性能。2）基于BTT的Li-S電池的放電容量為1,239 mAh g?1，在1 C倍率下的循環穩定性高達300 次。此外，采用BTT的Li對稱電池在270 h內保持了約40 mV的低沉積電位，電流密度為1 mA cm?2，容量密度為1 mAh cm?2。此外，BTT成功應用在鋰硫電池中。3）研究人員系統地研究了原位S-X(S或Li)鍵的形成和界面電化學轉化機理。本研究構建了一種獨特的基于鍵化學的界面反應，旨在解決鋰硫電池的固有問題。Guo, W., Zhang, W., Si, Y. et al. Artificial dual solid-electrolyte interfaces based on in situ organothiol transformation in lithium sulfur battery. Nat Commun 12, 3031 (2021).DOI：10.1038/s41467-021-23155-3https://doi.org/10.1038/s41467-021-23155-3
2. Joule：同時提高效率、運行穩定性和耐彎折的柔性鈣鈦礦太陽能電池
盡管在提高功率轉換效率 (PCE) 和鈣鈦礦太陽能電池 (PSC) 的運行穩定性方面取得了很大進展，但很少有人關注它們的機械可靠性。耐彎折性對于柔性 PSC (f-PCS) 尤為重要。大連理工大學Yantao Shi和布朗大學Nitin P. Padture等人在 f-PSC 中的 3D MHP 光吸收薄膜上原位生長了二維 (2D) 金屬鹵化物鈣鈦礦 (MHP) 薄蓋層，以提高其機械可靠性。1）基于此方法， f-PSC 獲得了21.0%的高效率，同時具有優異的工作穩定性，經過800小時后，器件仍保留初始 PCE 的 90%，和彎曲耐久性（T80 = 20,000 次僅拉伸彎曲循環）方面，這是目前最耐彎折的柔性PSC。2）這些協同的良性效應歸因于 2D MHP 覆蓋層增強了光載流子提取，提供了對環境的保護，并“密封”了 3D MHP 薄膜上的表面缺陷。后者降低了彎曲時開裂的傾向，從而提高了環境穩定性和彎曲耐久性。Qingshun Dong，Flexible perovskite solar cells with simultaneously improved efficiency, operational stability, and mechanical reliability, Joule, 2021https://doi.org/10.1016/j.joule.2021.04.014https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435121002002
3. Matter：低成本生物傳感器用于定點快速檢測SARS-CoV-2
SARS-CoV-2病毒所引發的COVID-19已在全球范圍內造成300多萬人死亡。盡管防控局勢非常緊迫，但是目前大多數現有的COVID-19診斷方法都是通過RT-PCR以檢測SARS-CoV-2特異性核酸序列。這些檢測方法具有實驗室空間大、試劑成本高、樣品制備步驟多和易交叉污染的問題。此外，檢測結果通常需要幾個小時甚至幾天才能得到。因此，迫切開發需要快速、可靠、廉價的即時診斷策略。賓夕法尼亞大學Cesar de la Fuente-Nunez和坎皮納斯州立大學William R. de Araujo構建了一種修飾有人類受體血管緊張素轉換酶2(ACE2)、快速、簡單、手持、高敏感的微型生物傳感器。1）在4分鐘內，該傳感器可以通過電化學阻抗譜測量其氧化還原探針增加的電荷轉移電阻，進而在10 μL的樣本中檢測SARS-CoV-2。2）實驗結果表明，RAPID對鼻咽/口咽拭子敏感性和特異性分別為85.3%和100%，對和唾液樣本的敏感性和特異性則為100%和86.5%。Marcelo D. T. Torres. et al. Low-cost Biosensor for Rapid Detection of SARS-CoV-2 at the Point-of-Care. Matter. 2021https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590238521002228
4. EES：一種基于二元熔鹽電解質的具有低充電過電位的Li-CO2電池
Li-CO2電池的高充電過電位導致其壽命短以及能量利用率低等問題。盡管研究人員已經大量研究了利用固體催化劑如功能碳材料和貴金屬，來促進Li2CO3的分解。然而，其充電電位仍在4 V以上，電解質副反應仍然不可避免。與逐步發展起來的催化劑不同，電解質的優化一直是制約Li-CO2電池實用化的瓶頸。近日，南京大學周豪慎教授，Ping He報道了一種由熔鹽電解質和多孔碳基正極組成的具有低充電過電位的Li-CO2電池。1）在熔融狀態下，LiNO3/KNO3混合電解質具有6.29 mS cm-1的高離子電導率。值得注意的是，采用Super P正極的熔鹽Li-CO2電池的充電電壓平臺值為3.6 V，容量高達5180 mAh g-1。2）除了先進的電解質外，開發高效催化劑以提高該熔融體系的性能也至關重要。得益于碳負載的納米Ru顆粒（Ru@Super P正極）的高催化活性，這種熔鹽Li-CO2電池的充電電位進一步降低到3.2 V，循環壽命也提高到70次。這種電解質和固體正極中多相催化劑的設計為降低Li-CO2電池的高充電電位以及減緩電解質的分解提供了新見解。D. Wang, J. Yang, P. He and H. Zhou, A Low-Charge-Overpotential Lithium-CO2 Cell Based on Binary Molten Salt Electrolyte, Energy Environ. Sci., 2021https://doi.org/10.1039/D1EE00068C
5. EES：一種人工雜化界面層相助力超高倍率和實用的鋰金屬負極
固體電解質界面層（SEI）對于穩定和可充電電池，特別是在高倍率條件下，起著至關重要的作用。然而，目前人們還沒有完全闡明鋰離子通過SEI的傳輸機制，以構建實用的鋰金屬電池的堅固的鋰負極。近日，電子科技大學熊杰教授，王顯福研究員，Baihai Li報道了構建了一個由鋰銻（Li3Sb）和氟化鋰（LiF）組成的人工雜化SEI層來揭示SEI中的離子擴散行為。1）Li3Sb組分作為離子通道消除了界面層中Li+的擴散勢壘，而電子絕緣的LiF則在SEI/Li界面起到屏蔽電子的作用，在SEI/Li界面實現了均勻的Li沉積。此外，這種雜化界面繼承了良好的界面機械穩定性，有效地抑制了枝晶的生長。2）結果表明，采用改性鋰負極的對稱電池在20 mA cm?2的倍率下，在1360次循環中獲得了延長的鍍鋰/剝離穩定性，且極化電壓（100 mV）大大降低。在實際應用中，通過與改性鋰負極配對，組裝的0.4 Ah鋰硫電池在6 mg cm?2的高硫負荷和3 μl mg?1的低電解質/硫比條件下，60次循環后的比能量密度可達325.28 Wh kg?1，容量保持率為91.5%。這一有效的策略和闡明的相應內在機理，為發展高能、長壽命的鋰金屬電池提供了重要指導。Anjun Hu, et al, An artificial hybrid interphase endowing ultrahigh-rate and practical lithium metal anode, Energy Environ. Sci., 2021https://doi.org/10.1039/D1EE00508A
6. EES：層狀磷酸釩的層間距調節機制助力高性能鋅離子電池
層狀磷酸釩（VOPO4·2H2O）由于其獨特的層狀結構和較高的放電平臺，被認為是一種很有前途的可充電鋅離子電池（ZIBs）正極材料。然而，其緩慢的Zn2+離子擴散動力學、低比容量和較差的電化學穩定性等問題仍然制約了ZIBs的實際應用。近日，東南大學孫正明教授，胡林峰教授報道了采用溶劑熱法合成了一組具有不同層間距（14.8、15.6和16.5 ?）的苯胺（PA）插層的VOPO4·2H2O。1）研究發現，在PA-VOPO4·2H2O體系中，比容量與d間距呈近似的線性關系，最大層間距（16.5 ?）相在0.1 A·g-1下的放電容量達到268.2 mAh·g-1，放電平臺為1.3 V，能量密度為328.5 Wh·kg-1。實驗數據和密度泛函理論（DFT）計算都表明，最佳的16.5 ?間距可以促進Zn2+離子的快速擴散，其超高擴散系數約為5.7×10-8 cm-2.s-1。2）此外，PA分子的插層還顯著增加了水溶液中的疏水性，抑制了VOPO4·2H2O的分解/溶解，并顯著改善了VOPO4·2H2O在5.0 A·g-1下2000次循環的穩定性，容量保持率為200 mAh·g-1。這項研究為解決Zn2+擴散速度慢、循環穩定性差的問題提供了一種可行的解決方案，并對層狀磷酸鹽用于高性能鋅離子電池的層間化學機制有了清晰的認識。L. Hu, Z. Wu, C.Lu, F. Ye, Q. Liu and Z. Sun, Principle in Interlayer-Spacing Regulation of Layered Vanadium Phosphates for Superior Zinc-ion Batteries, Energy Environ. Sci., 2021https://doi.org/10.1039/D1EE01158H
7. AM綜述：無鉛鈣鈦礦光電探測器的進展、挑戰與機遇
應用雜化鈣鈦礦材料的最先進光電探測器（PD）已成為下一代光傳感的強有力候選者。其中，鉛基光電材料因其獨特而優越的光電性能，無疑是最受歡迎的光電材料。然而，由于鉛基鈣鈦礦的穩定性較差，在無毒和高性能之間存在商業化的權衡，這表明用無毒的元素代替鉛是不可缺少的，同時也使光電探測器的性能達到相當的水平和相對的長期穩定性。有鑒于此，吉林大學沈亮教授、國家納米科學中心丁黎明研究員等人綜述了近年來無鉛鈣鈦礦光電探測器的研究進展，分析了新材料設計的原理，突出了一些可與鉛基光電探測器媲美甚至優于鉛基光電探測器的顯著進展。1）首先從PDs的基本類別開始，分為光電導體、光電二極管和光電晶體管。然后，總結了一些性能參數作為對不同PDs的評估。此外，還簡要說明了不同無鉛鈣鈦礦的設計原理，說明了不同的結構是如何從ABX3型結構起源的。2）還概述了文中描述的鈣鈦礦不同結構的可能特性。更重要的是，作者將基于錫、鉍、銻、銅和鐿的鈣鈦礦的主要無鉛鈣鈦礦PDs分類，并將材料的特性與產生的器件的特性聯系起來。令人驚訝的是，無鉛鈣鈦礦PDs顯示的特性與鉛基PDs相當，這為無鉛鈣鈦礦材料在光電應用方面提供了相當大的潛力。鍺基鹵化鈣鈦礦具有窄帶隙和相似的光學吸收系數，表現出很好的光電特性。一些雙鈣鈦礦，包括Cs2InBiCl6、Cs2NaBiI6和Cs2AgInCl6也極具希望。3）最后對其在光通信、圖像傳感、窄帶光探測等領域的潛在應用策略進行了探討，并展望了開發具有更優性能的新材料和光探測器的前景。Yiqi Zhang et al. Lead-Free Perovskite Photodetectors: Progress, Challenges, and Opportunities. Adv. Mater. 2021, 2006691.DOI: 10.1002/adma.202006691.https://doi.org/10.1002/adma.202006691
8. Nano Energy：聚合物碳氮化物的不對稱結構工程用于可見光驅動的還原反應
聚合物氮化碳（g-C3N4）的光催化活性強烈依賴于其電子結構，而電子結構又對制備方法高度敏感。近日，北京工業大學王金淑教授，澳大利亞昆士蘭大學王連洲教授報道了采用乙二胺（EDA）誘導的氣固兩相法對甜瓜偶聯物的末端基團進行芳香化處理，以精確調節g-C3N4的電子構型，從而提高光催化活性。1）理論和實驗結果顯示，末端芳構化通過向甜瓜基g-C3N4中注入豐富的π-電子，阻斷甜瓜基序之間的平衡連接，擴大了π-電子的離域，加劇了π-共軛體系的不對稱性。2）結果表明，光生e-h對的遷移率的提高和e-h對的分離是質子和氧光催化還原的觸發因素，在可見光照射下，PHE的光催化還原效率達到15.4倍，H2O2的光催化還原效率為末端芳構化前的6.6倍。這一策略為g-C3N4及其相關聚合物半導體的結構設計提供了一個新的視角，從而提高其性能。Wei Luo, et al, Asymmetric Structure Engineering of Polymeric Carbon Nitride for Visible-light driven Reduction Reactions, Nano Energy, (2021)DOI：10.1016/j.nanoen.2021.106168https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106168
9. Nano Energy：一種具有鏈甲異質結構繡球花狀二元金屬硫化物助力高效鈉離子電池
金屬硫化物長期以來被認為是鈉離子電池的先進負極材料。然而，其固有的缺陷（如導電性差和體積變化大）嚴重阻礙了這種材料在實際中的應用。近日，吉林師范大學李海波教授，Ming Feng，加拿大滑鐵盧大學陳忠偉教授報道了提出了一個簡單的策略來設計具有鏈狀Sb2S3/MoS2異質結構的二元金屬（Sb-Mo）硫化物，以Sb2MoO6為前驅體，以聚乙烯吡咯烷酮（PVP）為碳保護層和成核誘導劑，從而有效地避免了Sb和Mo元素在復合材料中的聚集和不均勻分布。1）所獲得的繡球狀二元金屬硫化物異質結構可以從以下幾個方面克服金屬硫化物的上述缺點。首先，Sb2S3/MoS2異質結構可以通過產生復合材料的晶格畸變和長程無序來增強熱力學穩定性。同時，Sb2S3/MoS2異質界面間內部電子場的存在可以加速電子輸運，使電荷轉移動力學更有利。此外，MoS2和Sb2S3組分的不同氧化還原電位使得復合材料在鈉化過程中實現穩定的體積膨脹，從而具有顯著的結構穩定性。2）實驗結果顯示，基于這種鏈狀異質結構二元金屬硫化物的SIB負極在5 A·g-1的超高倍率下，650次循環后表現出411.5 mAh·g-1的優異持久循環性能。研究工作為開發高性能異質結構金屬硫化物用于SIBs負極材料以實現其實際應用提供了一條可行的途徑。Duo Wang, et al, Chain Mail Heterostructured Hydrangea-like Binary Metal Sulfides for High Efficiency Sodium Ion Battery, Nano Energy, (2021)DOI：10.1016/j.nanoen.2021.106185https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106185
10. Adv. Sci.：揭示LiH觸發的高能LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2/石墨軟包電池的熱失控機理
鋰離子電池能量密度的不斷提高不可避免地伴隨著安全隱患的增加。有鑒于此，中科院青島生物能源與過程研究所崔光磊研究員等人分析了使用熱穩定雙鹽電解質的高能5Ah LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2/石墨軟包電池的熱失控特性。1）通過在碳酸乙烯酯（EC）、碳酸丙烯酯（PC）和碳酸甲乙酯（EMC）的碳酸酯溶劑中溶解LiTFSI和LiDFOB鋰鹽制備了5 Ah的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2/石墨（NCM523/G）軟包電池并進行了電化學和熱安全性研究。具體而言，研究了5 Ah NCM523/G軟包電池在較寬的溫度范圍（?40–60°C）下的電化學性能。2）更重要的是，使用了各種先進的表征技術（例如，溫度分辨X射線衍射（XRD）、ARC、在線滴定氣體分析系統）來闡明從具有不同SOC（100％和0％）的軟包電池中拆卸下來的電池材料的熱相容性。3）此外，這項研究創新性地鑒定了石墨負極側LiH的存在，并證明了LiH/電解質放熱反應和H2從負極向正極側的遷移有助于觸發軟包電池的熱失控，而鋰化的石墨負極和正極釋放的O2只是熱失控的加速因素。另外，在絕熱和等溫環境兩種邊界情況下循環過程中的熱量監測清楚地說明了設計一種高效且智能的電池熱管理系統以避免熱量積聚的必要性。這些發現將為熱失控路線圖的描繪和熱失控的預防以及用于高能安全鋰離子電池的電解質配方提供有希望的啟示。Lang Huang et al. Uncovering LiH Triggered Thermal Runaway Mechanism of a High-Energy LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2/Graphite Pouch Cell. Adv. Sci. 2021, 2100676.DOI: 10.1002/advs.202100676.https://doi.org/10.1002/advs.202100676
11. ACS Nano：F誘導的超高邊緣缺陷碳納米片的超快儲鉀
碳質材料具有高導電性、環保性和結構穩定性等優點，被認為是鉀離子電池（PIBs）的理想負極材料。然而，大量鉀離子的重復插入/提取而導致的小的層間距和嚴重的體積膨脹限制了碳質材料的儲鉀性能。近日，廣東工業大學芮先宏教授，中科大余彥教授報道了合理設計并成功制備了具有富邊缺陷的氟氮共摻雜的碳納米片（FNCS）三維多孔結構。1）這種FNCS材料具有以下優點：i）F和N共摻雜可以產生豐富的邊緣缺陷，為電化學反應提供大量的反應位點；ii）三維多孔結構有利于電解液的滲透；iii）薄碳納米片有效地縮短了電子和K+-離子的輸運路徑。2）當用作PIBs的負極時，FNCS具有超長的循環壽命（131 mAh g?1，5 A g?1,4000次循環）和優異的倍率性能（93 mAh g?1，20 A g?1）。當與K2FeFe(CN)6正極配合使用時，組裝的PIBs全電池表現出高的可逆容量，在0.2 A g?1時可達516 mAh g?1，并且具有優異的長循環壽命（例如，128mAh g?1在1 A g?1時可循環500次）。3）電子順磁共振技術（EPR）、密度泛函理論（DFT）和態密度（DOS）計算結果表明，F摻雜可以產生更多的邊緣缺陷和活性位，有利于鉀離子的吸收，從而獲得良好的PIB性能。該設計策略可以推廣到其他高性能儲能電極材料的設計，如鎂離子電池、超級電容器、電催化等。Yu Jiang, et al, Ultrafast Potassium Storage in F-Induced Ultra-High Edge-Defective Carbon Nanosheets, ACS Nano, 2021DOI: 10.1021/acsnano.1c02275https://doi.org/10.1021/acsnano.1c02275
12. AFM：反應動力學增強的磷氧雙摻雜的多孔碳球負極材料用于高性能鉀離子混合電容器
低成本、高比容量的硬碳作為鉀基儲能的負極材料具有巨大的應用潛力。然而，其緩慢的反應動力學和不可避免的體積膨脹降低了它們的電化學性能。考慮到合理的結構設計和雜原子摻雜的優點，近日，澳大利亞悉尼科技大學汪國秀教授，Bing Sun報道了通過化學氣相沉積法（CVD），隨后進行雜原子摻雜，成功合成了一種磷/氧雙摻雜的多孔碳球（P/O-PCSs）。1）P/O-PCSs的3D多孔結構作為一個開放的框架可以緩解大體積膨脹。同時，雜原子的引入增加了層間距離和豐富的鉀離子儲存活性位點，研究人員通過實驗研究和密度泛函理論（DFT）計算都證明了這一點。2）將P/O-PCSs作為電池型負極材料，其在0.1 A·g-1下顯示出401 mAh·g-1的可逆放電容量、優異的倍率性能和優異的長期循環穩定性（10000次循環后為89.8%）。原位拉曼光譜和非原位XPS測量表明，P-C鍵和P-O/P-OH鍵的形成不僅提高了結構穩定性，而且增強了硬碳材料在循環過程中的反應動力學。3）通過將P/O-PCSs負極與商用活性炭正極耦合，所制備的PIHC具有顯著的電化學性能，可作為用于長期和大規模能量存儲的先進能量存儲器件。
Shuoqing Zhao, et al, Phosphorus and Oxygen Dual-Doped Porous Carbon Spheres with Enhanced Reaction Kinetics as Anode Materials for High-Performance Potassium-Ion Hybrid Capacitors, Adv. Funct. Mater. 2021DOI: 10.1002/adfm.202102060https://doi.org/10.1002/adfm.202102060
