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太强了！南京大学周豪慎教授团队连发AM和EES！

来源：时间：2024-04-30 16:43:57 浏览：1903次

近日，南京大学周豪慎教授团队在Adv. Mater.和Energy Environ. Sci.上连续发表最新成果，即“Water Catchers within Sub-Nano Channels Promote Step-by-Step Zinc-Ion Dehydration Enable Highly Efficient Aqueous Zinc-Metal Batteries”和“Self-constructing a lattice-oxygen-stabilized interface in Li-rich cathodes to enable high-energy all-solid-state batteries”。下面对这两篇成果进行简要介绍！

Adv. Mater.：Zr基MOF-801助力高性能的AZMBs

第一作者：Dongming Xu

通讯作者：周豪慎教授、潘安强教授、常智教授

通讯单位：南京大学、中南大学

DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202403765

研究背景

水系锌金属电池（AZMBs）采用不可燃的水电解质，具有成本低、环境友好、安全性高等优点，是一种很有前途的储能技术。然而，水腐蚀、析氢反应（HER）和不可控的枝晶Zn生长等问题严重阻碍了AZMBs的发展。具体而言，Zn²⁺与周围的H₂O分子壳层之间的强库仑相互作用导致了溶剂化Zn离子溶剂化结构的形成，Zn离子的溶解和沉积不可避免地引起界面处双层环境的显著波动。当硫酸锌/水离子同系物（[Zn(H₂O)₆]²⁺[SO₄]^2-）到达Zn金属表面，在进一步沉积Zn前，需要克服各种锌离子的高溶解能垒。基于此，南京大学周豪慎教授、中南大学潘安强教授和常智教授等人报道了一种高度稳定的锆（Zr）基MOF-801，其亚纳米通道内含有丰富的羧基，可以用来保护Zn金属。MOF-801的亚纳米通道只能实现一次脱溶剂/脱水，而MOF-801亚纳米通道内的羧基作为水捕集器，可以不断地从Zn离子的溶剂化鞘中捕获水分子，并在Zn离子到达Zn金属表面之前促进逐步的脱溶剂/脱水。

文章要点

1、这种独特的工艺促进了亚纳米通道内高聚集电解质的形成，从而阻止了高活性水分子与Zn金属的直接接触，有效地消除了水致腐蚀和副反应。同时，功能化的亚纳米通道还充当离子整流器，促进了快速而均匀的Zn离子传输，产生了无枝晶的Zn金属，副产物可以忽略不计。得益于亚纳米通道内水捕集器的逐步脱水，Zn//Zn对称电池在0.2 mAh cm^-2、0.2 mA cm^-2条件下的循环寿命达到了创纪录的10000 h以上。

2、在更苛刻的条件下，其也获得了优异的性能，其中在2 mA cm^-2、2 mAh cm^-2下超过3816 h，Zn//Cu半电池在超长4000次循环中也表现出99.92%的超高平均库伦效率（CE）。NH₄V₄O₁₀//MOF-801@Zn全电池在1300次循环后提供了289.8 mAh g^-1的容量和91.1%的容量保持率。此外，NH₄V₄O₁₀//MOF-801@Zn袋式电池在25.7 mg cm^-2的高正极质量负载下提供了98.0 mAh的容量，并且即使在150次循环后也保持了86.2%的容量保持率。本工作为稳定Zn金属和促进具有长寿命的高效AZMBs提供了一种有效的策略。

图文展示

图1-1.多孔材料的优点

图1-2.不同Zn金属电池的电化学性能

图1-3.Zn离子在不同基底上的沉积行为

图1-4. MOF-801层的作用

图1-5.分步脱水过程

图1-6.不同负极NVO//Zn电池的电化学性能

Energy Environ. Sci.：高性能全固态锂电池

第一作者：Xiangqun Xu、Shiyong Chu

通讯作者：周豪慎教授、郭少华教授

通讯单位：南京大学

DOI: https://doi.org/10.1039/D4EE00938J.

研究背景

目前，锂离子电池（LIBs）系统已无法满足日益增长的安全性和续航里程需求，LIBs中的液态有机电解质易燃易爆，存在安全隐患。科研人员深入研究了各种固态电解质（SSEs），特别是许多不易燃的无机SSEs表现出高离子电导率（~10 mS cm^-¹）。此外，SSEs可以与锂金属负极匹配，实现高能、安全的全固态锂电池（ASSLBs）。其中，采用富锂氧化物作为正极材料为高能ASSLBs提供了理想的选择，而富锂正极材料通常难以与SSEs直接匹配，严重限制了ASSLBs中高容量正极的容量利用率。基于此，南京大学周豪慎教授和郭少华教授等人报道了一种仅含SSEs（Li₆PS₅Cl, LPSC；Li₃InCl₆, LIC）和单晶Li₂RuO₃（LRO）的简单复合正极来研究界面兼容性，其中高导电性正极材料LRO的使用可很好地排除额外导电性碳添加剂的界面影响。

文章要点

1、通过原位差分电化学质谱（DEMS）、原位电化学阻抗谱（EIS）、X射线光电子能谱（XPS）等方法，作者充分揭示了LRO与LPSC的界面不相容性，这无疑是导致其电化学性能差的原因。在LRO和LIC的界面中，In和O⁽²^-ⁿ⁾^-相互作用，自构建了晶格氧稳定界面，减轻了不可逆的晶格氧损失，稳定了表面结构。

2、测试发现，基于LIC/LRO的ASSLBs在20 mA g^-¹下具有294.0 mAh g^-¹的高可逆容量，初始库仑效率（ICE）为98.1%，在100 mA g^-¹下循环300次后具有99.6%的良好循环稳定性。此外，基于质量为30wt%-LIC/70wt%-LRO的复合正极和Li负极，获得了495wh kg^-¹的高比能。本研究强调了富锂氧化物/SSEs基复合阴极界面相容性的重要性，并为实现高能量密度和稳定的ASSLBs提供了新见解。

图文展示

图2-1. LRO在LPSC和LIC界面上的高活性O⁽²^-ⁿ⁾^-演化示意图

图2-2.电化学性能

图2-3. LIC/LRO晶格氧-稳定界面的表征

图2-4. LIC/LRO和LPSC/LRO在各种电化学状态下的界面相容性

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