提起材料領(lǐng)域的大牛，斯坦福大學(xué)“雙子星”崔屹教授和鮑哲南教授一定榜上有名。兩人同為斯坦福大學(xué)的華人科學(xué)家，一個醉心于納米能源領(lǐng)域電池技術(shù)，一個專注于人工智能電子皮膚，在各自領(lǐng)域發(fā)表的牛文不勝枚舉。今天我們要說一說崔屹教授和鮑哲南教授兩人在科研路上的“不解之緣”。
兩人的首次合作始于2011年。
機緣巧合之下，兩個人合作研究納米復(fù)合電極材料，通過將多孔紡織物的纖維浸泡在石墨烯溶液中，進而利用電沉積負(fù)載MnO2，得到具有超長循環(huán)壽命、高電容的納米復(fù)合電極材料。這項工作引起了眾多科研工作者的關(guān)注，同時也被《Nature》雜志highlight，截止目前引用次數(shù)高達990次。
旗開得勝以后，二人的合作便一發(fā)不可收，研究內(nèi)容涉及氧化物、鋰金屬電池、鋰硫電池、硅負(fù)極以及聚合物電解質(zhì)等等諸多領(lǐng)域，且每一項都堪稱經(jīng)典！毫不夸張地說，崔屹大神在能源存儲領(lǐng)域的資深造詣，加上鮑哲楠女神在有機、高分子材料領(lǐng)域的卓越成就，強強聯(lián)合，為電池技術(shù)注入新的生命力，讓電儲能領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了一次又一次的突破！
崔屹大神和鮑哲南女神的首次合作。圖片來源：Nano Lett. 2011, 11, 7, 2905–2911
下面小編就簡略梳理了2013-2020年崔屹和鮑哲南教授兩人強強合作的重要研究成果。限于篇幅，僅列舉頂級期刊以及兩人為共同通訊作者的相關(guān)工作：
Part1. 聚合物電解質(zhì)
Part2. 鋰金屬電池
Part3. 鋰硫電池
Part4. 鋰離子電池硅負(fù)極
Part5. 鈉離子電池
Part6. 熱敏聚合物開關(guān)材料
Part 1. 聚合物電解質(zhì)
1. JACS: 具有高電化學(xué)穩(wěn)定性的新型離子導(dǎo)電氟化醚電解質(zhì)
在保持穩(wěn)定的鋰金屬沉積/剝離和高離子電導(dǎo)率的同時，提高電解質(zhì)的氧化穩(wěn)定性是一個巨大的挑戰(zhàn)。
因此，迫切需要設(shè)計和合成新的電解質(zhì)，如將醚溶劑的高離子電導(dǎo)率與氫氟醚的高氧化穩(wěn)定性相結(jié)合，以同時支持鋰金屬和高壓陰極。
為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，斯坦福大學(xué)崔屹教授和鮑哲南教授團隊聯(lián)合設(shè)計了一種合成新型氟化醚電解質(zhì)的新方法，即通過氟化核心與醚“端基”共價鍵合，從而實現(xiàn)單一電解質(zhì)中高離子電導(dǎo)率與高氧化穩(wěn)定性的統(tǒng)一。
同時，以模塊化的方式改變醚基的長度和類型，以及氟化鏈段的長度，系統(tǒng)地研究了這種新型電解質(zhì)結(jié)構(gòu)-性質(zhì)的關(guān)系。
研究發(fā)現(xiàn)，所制備的新型氟化醚電解質(zhì)具有較長的醚基團和較短的氟化鏈段時，離子電導(dǎo)率高達2.7×10-4 S/cm（在30°C時），并且具有高達5.6 V的氧化電壓。核磁共振（NMR）光譜和分子動力學(xué)（MD）模擬顯示，隨著醚段的增加和氟段的縮短，氟化醚中的離子電導(dǎo)率會增加。
研究人員進一步將該電解質(zhì)應(yīng)用于高電壓Li-NMC 811電池，所組裝的電池可以在高達C/5的倍率下穩(wěn)定循環(huán)100次以上。
參考文獻：
A new class of ionically conducting fluorinated ether electrolyteswith high electrochemical stability. J. Am. Chem. Soc. 2020. DOI:10.1021/jacs.9b11056
原文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.9b11056
2. Adv. Energy Mater.：改善鋰金屬負(fù)極界面的非極性烷烴電解液添加劑
鋰金屬與電解質(zhì)之間的副反應(yīng)會導(dǎo)致電池的庫倫效率降低，電池性能急劇下降。因此需要開發(fā)無反應(yīng)活性的電解質(zhì)添加劑，以降低鋰金屬/電解質(zhì)界面處電解質(zhì)溶劑的表面濃度，同時永久存在于電池中并保持其濃度基本不變。
鑒于此，斯坦福大學(xué)的鮑哲南教授和崔屹教授聯(lián)合報道了一種非極性烷烴作為鋰電池電解液中的無反應(yīng)活性添加劑。
研究表明，將烷烴添加到醚溶劑中不僅可將鋰沉積的成核和生長的過電勢減半，增加了電池庫侖效率，而且改善了鋰沉積形貌，提高了電解質(zhì)的氧化穩(wěn)定性，并將循環(huán)壽命延長了一倍。
增強的電化學(xué)性能主要得益于，非極性烷烴改變了鋰離子的溶劑化環(huán)境并降低了溶劑化自由能，因而減少了鋰沉積的反應(yīng)勢壘。
同時，該工作證實，探索非極性烷烴作為電解液添加劑的性能和機制是控制鋰金屬沉積的絕佳策略。
參考文獻：
Nonpolar Alkanes Modify Lithium-Ion Solvation for Improved Lithium Depositionand Stripping. Adv. Energy Mater.2019, DOI:10.1002/aenm.201902116.
原文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.201902116
3. Nat. Commun.: 離子電導(dǎo)率和力學(xué)性能兼顧的超分子鋰離子導(dǎo)體
可穿戴電子產(chǎn)品需求的快速增長對電極材料提出了更高的要求，例如需要兼具良好的機械強度、可拉伸性能以及離子電導(dǎo)率的聚合物電解質(zhì)。
為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，斯坦福大學(xué)鮑哲南教授、崔屹教授和上海交大顏徐州研究員（共同通訊作者）等人聯(lián)合報道了一種將離子導(dǎo)電率和聚合物電解質(zhì)的機械強度解耦的有效策略，并設(shè)計了一種超分子鋰離子導(dǎo)體（SLIC）。
其中，具有低Tg聚醚主鏈單元提供離子導(dǎo)電性，而動態(tài)鍵耦合的2-脲基-4-嘧啶酮（UPy）主鏈單元提供機械性能，從而獲得了具有29.3±1.4 M Jm-3的超強韌性和室溫下離子導(dǎo)電率為1.2±0.21×10-4 S cm-1的聚合物電解質(zhì)。
此外，研究人員將這種超分子鋰離子導(dǎo)體制備成粘結(jié)劑材料，采用傳統(tǒng)漿料工藝制備應(yīng)變能力超過900%的可拉伸鋰離子電池電極。
這些電池組分的超分子性質(zhì)使得它們能夠在電極-電解液界面上緊密結(jié)合。利用這些可伸縮組件構(gòu)建的電池容量高達1.1 mAh cm-2，甚至在70%的應(yīng)變條件下維持正常工作。該工作報道的將離子導(dǎo)電與力學(xué)性能分離的方法為制備高韌性儲能離子輸運材料開辟了一條很有前途的途徑。
參考文獻：
Decoupling of mechanical properties and ionic conductivity insupramolecular lithium ion conductors. Nat. Commun. 10, 5384 (2019). DOI:10.1038/s41467-019-13362-4
原文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-019-13362-4
4. Energy Environ. Sci.: 綠色、低成本的濃縮乙酸鹽混合“鹽包水”水系電池電解質(zhì)
電解質(zhì)是能量存儲設(shè)備的重要組成部分。電解質(zhì)成分對電池的安全性，價格和性能有重大影響。
本質(zhì)上不可燃的水性電解質(zhì)可以提供更安全的電池操作并降低相關(guān)的毒性，但是與傳統(tǒng)的有機電解質(zhì)相比，其電化學(xué)穩(wěn)定性窗口（以及能量密度）更小。
雖然最近提出的高濃度“鹽包水”電解質(zhì)提供了擴展的電化學(xué)穩(wěn)定性窗口，但是由于缺乏水溶性足以滿足鹽包水條件的鋰鹽，只能選擇限于有毒且成本高的有機酰亞胺。
為了應(yīng)對開發(fā)新的鹽包水型電解質(zhì)配方的挑戰(zhàn)，斯坦福大學(xué)的崔屹教授和鮑哲南教授提出了一種混合陽離子策略，即利用乙酸鉀的高溶解度，在水與陽離子摩爾比低至1.3的鋰和乙酸鉀的共晶混合物中達到WIS條件。
研究發(fā)現(xiàn)，乙酸鉀基高濃度電解質(zhì)可以提供與酰亞胺基電解質(zhì)相同的擴展電壓范圍優(yōu)勢，并且可以與傳統(tǒng)鋰離子電池電極材料的相容性，同時成本低廉且環(huán)保良性。這項工作為安全，低成本和高性能的水性鋰離子電池的實際實現(xiàn)提供了重要的方向。
參考文獻：
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.
原文鏈接：
https://pubs.rsc.org/no/content/articlehtml/2018/ee/c8ee00833g
5. Adv. Energy Mater.：交聯(lián)聚（四氫呋喃）作為松散配位的聚合物電解質(zhì)
固體聚合物電解質(zhì)（SPE）有望大大改善鋰離子電池（LIB）的安全性和性能。
然而，基于常規(guī)聚環(huán)氧乙烷（PEO）的SPE面臨著離子電導(dǎo)率和遷移率較低的問題，阻礙了其進一步商業(yè)化應(yīng)用。
鑒于此，斯坦福大學(xué)鮑哲南教授和崔屹教授（共同通訊作者）引入交聯(lián)的聚四氫呋喃（xPTHF）作為“超越PEO”的松散配位的高性能SPE。
與常用的xPEO系統(tǒng)相比，xPTHF具有0.53的高轉(zhuǎn)移數(shù)，良好的電化學(xué)穩(wěn)定性和更高的鋰電導(dǎo)率。此外，xPTHF10 SPE在高達234°C的溫度下還表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性，并具有靈活、獨立、易于加工的外形尺寸。
當(dāng)整合到全固態(tài)LFP電池中時，具有xPTHF10 SPE的電池在70°C和1C倍率下表現(xiàn)出比容量為162 mAh g-1。
分子添加劑（例如DMF和PC）可以進一步調(diào)節(jié)Li+ 配位環(huán)境，使xPTHF5DMF2:1 基SPE的室溫離子電導(dǎo)率達到1.2×10-4 S cm-1。進一步將塑化的xPTHF SPE組裝成全固態(tài)LFP電池，它可以在室溫和C/10的倍率下具有高達129 mAh g-1的比容量。
參考文獻：
Crosslinked Poly(tetrahydrofuran) as a Loosely Coordinating PolymerElectrolyte. Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1800703. DOI: 10.1002/aenm.201800703
原文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.201800703
6. Adv. Mater.: 彈性鋰離子導(dǎo)體的雙交聯(lián)設(shè)計
目前固態(tài)電解質(zhì)的一個巨大的挑戰(zhàn)在于機械性能和離子電導(dǎo)率的完美統(tǒng)一。
鑒于此，斯坦福大學(xué)崔屹教授和鮑哲南教授團隊首次設(shè)計了一種具有雙共價和動態(tài)氫鍵交聯(lián)的彈性鋰離子導(dǎo)體，不僅具有更大的彈性，同時還不犧牲室溫離子電導(dǎo)率。
聚環(huán)氧丙烷彈性體（ePPO）通過靜電共價鍵的組合提供彈性，酰胺基團之間的動態(tài)犧牲氫鍵可消除應(yīng)力。
選擇聚醚胺前體是因為其可轉(zhuǎn)化為氫鍵合酰胺，PPO主鏈形成無定形而不是由PEO形成的結(jié)晶域。
將線性二胺引入以增加交聯(lián)的分子量，降低了材料的模量，并使純聚合物的應(yīng)變能力從250％增加到500％。
將其用作Li/LiFePO4電池的電解質(zhì)和粘合劑，組裝后的電池可以在室溫下以152 mAh g-1的高陰極容量運行300次，即使經(jīng)過嚴(yán)格的機械沖擊測試，也可以保持穩(wěn)定運行。
這種新的雙交聯(lián)設(shè)計不僅為固態(tài)電解質(zhì)提供了強大的機械性能，同時保持了與最先進的聚合物基電解質(zhì)相似的離子電導(dǎo)率。即使在極端使用情況下，這種方法也為固態(tài)電池的穩(wěn)定、高性能運行開辟了道路。
參考文獻：
A Dual‐Crosslinking Design for ResilientLithium‐Ion Conductors. Adv. Mater. 2018, 30, 1804142. DOI:10.1002/adma.201804142
原文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201804142
Part 2. 鋰金屬陽極
1. Joule: 穩(wěn)定鋰金屬陽極的動態(tài)、電解質(zhì)阻塞和單離子導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)
鋰金屬陽極的發(fā)展一直受限于自然形成的固態(tài)電解質(zhì)的異質(zhì)性和不穩(wěn)定性。
通過合理設(shè)計人造SEI來調(diào)節(jié)界面的保形保護、快速離子遷移和抑制副反應(yīng)形成，是一種實現(xiàn)理想界面的有效策略。
鑒于此，斯坦福大學(xué)鮑哲南教授和崔屹教授聯(lián)手設(shè)計了一種新型的人工SEI，即動態(tài)單離子導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)（DSN）。DSN結(jié)合四面體Al(OR)4? （R=軟氟化連接基）中心，既是動態(tài)鍵合基元，又是反陰離子，賦予其流動性和Li+單離子導(dǎo)電性。
同時，氟化連接體提供鏈流動性和電解質(zhì)阻塞能力。研究發(fā)現(xiàn)，溶液處理的DSN涂層可同時阻止電解質(zhì)滲透，減輕鋰與電解質(zhì)之間的副反應(yīng)，維持低界面阻抗，并允許均勻的鋰沉積。采用該涂層，Li || Cu電池能夠完成400次以上的嵌入/脫嵌循環(huán)，并且Li || NMC的全電池在經(jīng)過160次循環(huán)后仍然能夠保持85%的容量。
參考文獻：
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.
原文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2542435119303691
2. ACS Energy Lett.：高粘彈性聚合物涂層助力高性能鋰金屬陽極
鋰枝晶生長和庫侖效率低的問題是難以克服的挑戰(zhàn)。從根本上講，這兩個問題是由于固體電解質(zhì)中間相（SEI）層的不穩(wěn)定性而引起的，該不穩(wěn)定性很容易被電池循環(huán)過程中的大體積變化所破壞。在這項工作中，我們表明，當(dāng)將高粘彈性聚合物應(yīng)用于鋰金屬電極時，鋰沉積的形態(tài)會變得更加均勻。在5 mA / cm2的高電流密度下，我們獲得了一個平坦而致密的鋰金屬層，并且在1 mA/ cm2的電流密度下，觀察到穩(wěn)定的循環(huán)庫侖效率約為97％，可維持180多個循環(huán)。
參考文獻：
High-Performance Lithium Metal Negative Electrode with a Soft andFlowable Polymer Coating
原文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsenergylett.6b00456
3. J. Am. Chem. Soc.：聚合物涂層對鋰金屬電沉積行為的影響
鋰金屬電池的實際應(yīng)用一直存在著枝晶生長、低庫倫效率以及循環(huán)壽命等問題。
雖然近年來研究人員采取了許多方法來穩(wěn)定鋰金屬-電解質(zhì)界面，包括柔性聚合物涂層已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)高倍率和高容量的鋰金屬循環(huán)性能，但是如何指導(dǎo)研究人員進一步合理的設(shè)計或者改性聚合物涂層，還沒有明確的指導(dǎo)方案。
有鑒于此，斯坦福大學(xué)鮑哲南教授和崔屹教授團隊系統(tǒng)研究了具有不同化學(xué)組分和機械性能變量的多種聚合物涂層對鋰金屬沉積行為的影響，且聚合物介電常數(shù)和表面能確定為鋰沉積尺寸的兩個關(guān)鍵指標(biāo)。
這項工作為鋰電沉積工藝提供了新的基礎(chǔ)見解，并為設(shè)計新的聚合物涂層以更好地穩(wěn)定鋰金屬陽極提供了指導(dǎo)。
參考文獻：
Effects of Polymer Coatings on Electrodeposited Lithium Metal. J.Am. Chem. Soc. 2018, 140, 37, 11735–11744. DOI: 10.1021/jacs.8b06047.
原文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.8b06047
4. J. Am. Chem. Soc.：表面氟化增強活潑電池負(fù)極材料的穩(wěn)定性
含Li的高容量負(fù)極，包括Li金屬和預(yù)鋰化Si，需要致密且均勻的LiF鈍化界面層，以應(yīng)對在電池制備過程中和循環(huán)過程中嚴(yán)重的環(huán)境腐蝕。
鑒于此，斯坦福大學(xué)鮑哲南教授和崔屹教授團隊開發(fā)了一種簡便的表面氟化工藝，通過使用含氟聚合物CYTOP作為前體，在反應(yīng)性陽極材料上原位生成的氟氣形成均勻且致密的LiF涂層。
作為理想的高分子聚合物氟源，CYTOP在較低溫度下分解和釋放純氟氣體，避免直接處理高毒性氟氣。
此外， LiF包覆層為Li金屬負(fù)極提供具有化學(xué)穩(wěn)定性和機械強度的界面層，通過使與碳酸型電解液的腐蝕反應(yīng)最小化從而達到抑制枝晶形成的效果。
因此，LiF包覆的Li金屬電池在電流密度為5mAcm-2時，可以穩(wěn)定循環(huán)300圈，且無枝晶生成。
此外，致密和結(jié)晶的LiF包覆層改善了LixSi NPs在潮濕空氣和常規(guī)漿料溶劑（NMP）中的穩(wěn)定性，表明LiF-LixSi NPs與工業(yè)電極制造工藝具有兼容性。
使用LiF包覆層，電解液的分解得到了有效的抑制，因此在長期循環(huán)期間LiF-LixSiNPs始終保持高的CE（平均CE為99.92％，從第三循環(huán)至第650循環(huán)）。
這種簡便的表面氟化工藝對現(xiàn)有的鋰離子電池和下一代鋰金屬電池的發(fā)展具有重要意義。
參考文獻：
Surface Fluorination of Reactive Battery Anode Materials forEnhanced Stability. J. Am. Chem. Soc.，2017，DOI: 10.1021/jacs.7b05251
原文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.7b05251
Part 3. 鋰離子電池硅負(fù)極
1. Nat. Commun.: 原位聚合導(dǎo)電聚合物水凝膠實現(xiàn)高性能硅負(fù)極
硅負(fù)極材料因其較高的理論容量而受到人們的廣泛關(guān)注。然而，其充放電過程中巨大的體積膨脹會導(dǎo)致循環(huán)穩(wěn)定性降低。為解決這一問題，斯坦福大學(xué)崔屹教授和鮑哲南教授通過原位聚合將Si納米粒子封裝在納米結(jié)構(gòu)的3D多孔導(dǎo)電聚合物框架中來實現(xiàn)高性能鋰離子電池負(fù)極。這種分層的水凝膠框架結(jié)合了多個有利功能，包括連續(xù)的導(dǎo)電聚苯胺網(wǎng)絡(luò)，與植酸的交聯(lián)劑氫鍵或帶正電的聚合物的靜電相互作用與Si表面結(jié)合以及用于Si粒子體積膨脹的多孔空間。所制備的硅負(fù)極成功實現(xiàn)了高容量和極其穩(wěn)定的電化學(xué)循環(huán)，在電流密度6.0 A g-1下可以連續(xù)深度循環(huán)多達5,000次，且保持了90％以上的容量。此外，溶液合成和電極制造工藝具有高度的可擴展性，并且與現(xiàn)有的漿料涂覆電池制造技術(shù)兼容，對高性能復(fù)合電極規(guī)模化生產(chǎn)。
參考文獻：
Stable Li-ion battery anodes by in-situ polymerization of conductinghydrogel to conformally coat silicon nanoparticles. Nat. Commun. 4, 1943(2013). DOI：10.1038/ncomms2941
原文鏈接：
https://www.nature.com/articles/ncomms2941
2. Nat. Chem.: 自愈合硅微米顆粒陽極助力高能量密度鋰電池
自修復(fù)損傷的能力（又稱為自愈）是自然界的重要生存特征，因為它可以延長大多數(shù)生物的壽命。
對于可再充電電池，因為在循環(huán)過程中產(chǎn)生的機械斷裂會縮短諸如硅陽極之類的高容量電極的壽命，因而具有自愈特征的電極材料同樣十分重要。
受自然界的啟發(fā)，斯坦福大學(xué)崔屹教授和鮑哲南教授首次將自修復(fù)化學(xué)技術(shù)應(yīng)用于硅微米顆粒（SiMP）陽極，以克服其循環(huán)壽命短的缺陷。
研究結(jié)果表明，由低成本SiMP（?3-8 μm）制成的陽極以前無法實現(xiàn)穩(wěn)定的深恒電流循環(huán)（小于9次循環(huán)），而使用自修復(fù)聚合物（SHPs）涂覆后陽極具有出色的循環(huán)壽命，可以穩(wěn)定循環(huán)90圈并保持初始容量的80%。
循環(huán)壽命是其他報道的SiMP陽極的十倍，并且容量高達約3,000 mA h g-1。
循環(huán)過程中涂層的裂紋和損壞可以通過SHPs聚合物分子鏈之間的無規(guī)支化氫鍵自發(fā)地修復(fù)。
這種自愈電極的新概念也可用于在電化學(xué)反應(yīng)過程中遭受機械問題的其他材料，包括燃料電池，水分解和催化的電極材料。
參考文獻：
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.1802
原文鏈接：
https://www.nature.com/articles/nchem.1802
3. Adv. Energy Mater.：自愈合粘結(jié)劑助力高面積容量的硅微米顆粒陽極
雖然自修復(fù)聚合物（SHPs）能夠有效減緩硅微米顆粒陽極，但是目前尚未實現(xiàn)高Si質(zhì)量負(fù)載和長期循環(huán)穩(wěn)定性。
針對上述問題，斯坦福大學(xué)崔屹教授和鮑哲南教授提出了一種新的電極設(shè)計，即通過將SHP 3D分布到Si顆粒層中，以縮短擴散路徑，促進更快的愈合響應(yīng)。
基于此設(shè)計，所制備的硅陽極成功實現(xiàn)了低成本Si微米顆粒的高面積容量（3-4 mAh cm-2）和超過140圈的穩(wěn)定循環(huán)壽命。該設(shè)計的優(yōu)勢特征在于：
- i）很高的面積容量，接近實際電池需求；
- ii）材料基于低成本的冶金硅粉；
- iii）通過使用可分級的沉淀-浮選工藝或球磨來選擇合適的Si粒度，從而實現(xiàn)最佳性能。
參考文獻：
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.201401826
原文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.201401826
4. Adv. Mater.：自愈合彈性聚合物涂層實現(xiàn)高容量可拉伸石墨碳/硅陽極
通常，無機活性電極材料是剛性的和硬的。實現(xiàn)可拉伸電極的主要方法是用不可拉伸的活性材料制成可拉伸的結(jié)構(gòu)。盡管已經(jīng)有一些成功的例子，例如在預(yù)應(yīng)變的聚二甲基硅氧烷（PDMS）基底上彎曲的Li4Ti5O12/碳納米管薄膜和類似彈簧的碳納米管纖維，但仍然沒有報道的高容量可拉伸性電極。鑒于此，斯坦福大學(xué)崔屹教授和鮑哲南教授首次展示了通過保形涂覆新合成的自修復(fù)彈性聚合物，成功實現(xiàn)了高容量可拉伸石墨碳/硅泡沫電極。與先前報道的超分子自愈聚合物不同，這種材料由于共價交聯(lián)鍵和犧牲氫鍵的結(jié)合而變得更加堅硬，并且在大范圍的應(yīng)變下具有彈性。研究表明，自修復(fù)彈性體被均勻地涂覆在3D石墨碳/硅泡沫上，并賦予復(fù)合電極高拉伸性（高達88％），并在25％應(yīng)變下承受1000次拉伸釋放循環(huán)，而不會增加有害阻力。所制備的石墨碳/ Si復(fù)合電極的總?cè)萘窟_到719 mAh g-1，是可拉伸鋰離子電池廣泛使用的Li4Ti5O12陽極材料的四倍，并在100次循環(huán)后保持其電量的81％。
參考文獻：
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.
原文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201504723
5. Adv. Energy Mater.：高離子導(dǎo)電性自修復(fù)粘結(jié)劑用于高性能硅微粒陽極
充放電過程中，硅負(fù)極伴隨著巨大的體積變化（300%~400%），導(dǎo)致電極結(jié)構(gòu)崩塌和活性材料的剝落，進而使電極失去電活性接觸，同時不穩(wěn)定的電極/電解質(zhì)界面會加劇電極與電解質(zhì)間副反應(yīng)的發(fā)生。針對此類問題，斯坦福大學(xué)崔屹教授和鮑哲楠教授（共同通訊作者）團隊設(shè)計了一種新型聚合物粘合劑，實現(xiàn)了電極材料高容量、優(yōu)異的循環(huán)及倍率性能。
研究人員將聚乙二醇（PEG）基團引入自修復(fù)高分子材料（SHP）得到一種新型聚合物（SHP-PEG），并將其作為微米硅負(fù)極的粘結(jié)劑使用。
該SHP-PEG粘合劑將SHP的自修復(fù)能力和PEG的Li離子傳導(dǎo)能力結(jié)合起來，使微米硅顆粒和電解質(zhì)之間的界面得到有效改善。
得益于粘合劑的自愈合能力和高離子導(dǎo)電性，硅顆粒在多次循環(huán)后仍能保持導(dǎo)電性，同時電極與電解質(zhì)間的副反應(yīng)受到了有效抑制。
此外，硅顆粒和電解質(zhì)間高效的Li離子電荷轉(zhuǎn)移能力,使電極材料展現(xiàn)出了優(yōu)異倍率性能。
參考文獻：
Ionically Conductive Self‐Healing Binder for Low Cost Si Microparticles Anodes in Li‐Ion Batteries. Adv.Energy Mater. , 2018, DOI: 10.1002/aenm.201703138
原文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.201703138
Part 4. 鋰硫電池
1. Joule: 基于醌的氧化還原介體促進Li-S電池中的Li2S氧化
在鋰硫（Li-S）電池中，硫和硫化鋰（Li2S）的絕緣性導(dǎo)致極化大和硫利用率低，而可溶性多硫化物在循環(huán)時導(dǎo)致內(nèi)部穿梭。
此外，溶解-沉淀途徑的氧化還原反應(yīng)會鈍化氧化還原反應(yīng)的活性界面而破壞了電極結(jié)構(gòu)，從而影響電池性能。
鑒于此，斯坦福大學(xué)崔屹教授和鮑哲南教授團隊向電解質(zhì)中引入醌衍生物作為氧化還原介體（RM），以促進Li2S的氧化。
同時，通過調(diào)整醌衍生物的特定性質(zhì)：氧化還原電位，溶解度和電化學(xué)穩(wěn)定性，可以提高電池性能。
研究發(fā)現(xiàn)，使用基于醌的RM可以有效防止死Li2S的沉積，從而降低極化，延長循環(huán)壽命。
基于定制的醌RM組裝的Li2S電極在0.5C下的初始充電電位在2.5V以下，且放電比容量高達1300 mAh g-1。
參考文獻：
Designing a Quinone-Based Redox Mediator to Facilitate Li2SOxidation in Li-S Batteries. Joule 2019, 3, 872–884. DOI: 10.1016/j.joule.2018.12.018
原文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S254243511830624X
2. ACS Nano: 導(dǎo)電聚合物PEDOT:PSS涂層改善Li-S電池的性能
可充電鋰硫（Li–S）電池具有較高的理論比能量，較低的材料成本和環(huán)境安全性，因此在下一代高性能儲能系統(tǒng)中表現(xiàn)出巨大的潛力。其商業(yè)化的主要障礙之一是由于多硫化物溶解和不受控制的再沉積導(dǎo)致的快速容量衰減。由于多孔碳基質(zhì)可以困住多硫化物，多孔碳結(jié)構(gòu)已被用于改善Li-S電池的性能。但是，如果沒有有效的涂層覆蓋碳/硫顆粒，長時間后多硫化物仍會擴散。鑒于此，斯坦福大學(xué)崔屹教授和鮑哲南教授團隊通過將導(dǎo)電聚（3,4-乙撐二氧噻吩）-聚（苯乙烯磺酸鹽）（PEDOT：PSS）涂覆到中孔碳/硫顆粒上，達到了使多硫化物從中孔碳基質(zhì)中的擴散最小化的目的。表面涂覆后，硫電極的庫侖效率從93％提高到97％，容量衰減從40％/ 100個循環(huán)減少到15％/ 100個循環(huán)。此外，聚合物涂層的放電容量比裸露涂層高出約10％，在C/5倍率下初始放電容量為1140mAh g-1，經(jīng)過150次循環(huán)后的穩(wěn)定放電容量超過600 mAh g-1。
參考文獻：
Improving the Performance of Lithium–Sulfur Batteries by ConductivePolymer Coating.ACS Nano 2011, 5, 11, 9187–9193. DOI: 10.1021/nn203436j.
原文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nn203436j
3. ACS EnergyLett.: 吡啶官能團化聚合物的高效鍵合增強硫電極的穩(wěn)定性
多孔碳由于其高導(dǎo)電性和高表面積，以前已被廣泛用作硫（S）電極的主體材料。然而，它們通常缺乏強大的化學(xué)親和力來穩(wěn)定多硫化物。雖然已經(jīng)使用導(dǎo)電聚合物來穩(wěn)定S電極，但是先前使用的導(dǎo)電聚合物通常是不溶的，將其從溶液均勻地涂覆到非極性碳基質(zhì)上是一個挑戰(zhàn)。鑒于此，斯坦福大學(xué)崔屹教授和鮑哲南教授團隊開發(fā)了一種新的部分共軛聚合物設(shè)計策略，用于高硫含量和穩(wěn)定的硫電極。該策略利用
（1）吡啶基序創(chuàng)建牢固的Li2Sx鍵合，這已通過XPS和模擬得到證實，
（2）基于聚噻吩的共軛骨架提供導(dǎo)電性，
（3）在主鏈中合理引入極性部分，以提供多孔結(jié)構(gòu)和良好的溶解性。有趣的是，與側(cè)鏈官能化的聚合物P30-S（81％）相比，主鏈改性的聚合物P30-B經(jīng)過100個循環(huán)的具有更高的循環(huán)保留率（90％）。
重要的是，新設(shè)計策略提供了實現(xiàn)改進的混合硫電極所需的關(guān)鍵功能，使電池性能在高達90％的高硫含量下經(jīng)過300個循環(huán)后容量保持率為80％，這是其他聚合物設(shè)計的硫陰極系統(tǒng)無法實現(xiàn)的。
參考文獻：
Enhanced Cycling Stability of Sulfur Electrodes through EffectiveBinding of Pyridine-Functionalized Polymer. ACS Energy Lett. 2017, 2, 10,2454–2462. DOI: 10.1021/acsenergylett.7b00772
原文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsenergylett.7b00772
Part 5. 鈉離子電池
1. Nature Energy: 高可逆容量鈉有機電池
由于具有高理論比容量501 mAh g-1和豐富儲量，玫棕酸鈉（Na2C6O6）是鈉離子電池最有希望的陰極之一。但是，與理論值相比，已報道的玫棕酸鈉可逆容量很低，且制約因素并不清晰。鑒于此，斯坦福大學(xué)的鮑哲楠教授和崔屹教授（共同通訊作者）共同探索并揭示了Na2C6O6在循環(huán)過程中可逆容量受限制的原因。研究表明，充放電過程中Na2C6O6會在α-Na2C6O6與γ- Na2C6O6之間發(fā)生不可逆的相變，這是Na2C6O6氧化還原活性下降的起源。為了解決這一問題，可以通過減小Na2C6O6的晶粒尺寸并選取合適的電解質(zhì)溶液的方法降低該相變的活化能壘，使充放電過程中α-N Na2C6O6與γ- Na2C6O6之間的相變具備高度可逆的特征，實現(xiàn)了在每個Na2C6O6晶胞中可逆儲存4個鈉原子的儲鈉機制，從而實現(xiàn)了高的可逆容量及循環(huán)穩(wěn)定性。電化學(xué)測試表明，當(dāng)選取溶劑化作用強的二甘醇二甲醚（DEGDME）作為電解質(zhì)溶液時，納米Na2C6O6正極能達到484 mAh/g的可逆容量及726 Wh/kg的能量密度（基于Na2C6O6正極），其能量效率高達87%，并具有較高的容量保持率。該Na2C6O6正極的比能量高達其理論值的96.6%，并超過了之前報導(dǎo)的所有鈉離子電池正極材料。
參考文獻：
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.
原文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41560-017-0014-y/
2. J. Am. Chem. Soc.：二維導(dǎo)電金屬-有機骨架中六氨基苯的穩(wěn)定性用于高功率鈉存儲
氧化還原活性有機材料作為可再充電電池的電極受到越來越多的關(guān)注。然而，氧化還原條件下電子電導(dǎo)率低以及化學(xué)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差等缺點限制了其應(yīng)用。鑒于此，斯坦福大學(xué)的鮑哲楠教授和崔屹教授（共同通訊作者）報告了一種新型的鈷基二維導(dǎo)電金屬有機框架（MOF）Co-HAB，它通過氧化還原活性連接基六氨基苯之間的共軛配位，具有穩(wěn)定、可訪問、致密的高功率儲能裝置活性位點（ HAB）和Co（II）中心。鑒于Co-HAB具有穩(wěn)定反應(yīng)性HAB的出色能力，首次成功證明了每個HAB可逆的三電子氧化還原反應(yīng)，從而為鈉離子存儲提供了一種有希望的新型電極材料。具體而言，通過Co-HAB的合成可調(diào)性，實現(xiàn)了1.57 S cm-1的整體電導(dǎo)率，從而實現(xiàn)了極高的倍率能力，可在7分鐘內(nèi)提供214 mAh g-1或在45 s內(nèi)提供152 mAh g-1。同時，在將有效質(zhì)量負(fù)載增加至9.6 mg cm–2時，面積容量幾乎呈線性增加，僅含微量導(dǎo)電劑便達到2.6 mAh cm–2。
參考文獻：
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.8b06020
原文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.8b06020
Part 6. 熱敏聚合物開關(guān)材料
1. Nature Energy: 快速可逆的熱敏聚合物開關(guān)材料，防止鋰電池過熱起火
安全問題一直是阻礙下一代高能量密度電池大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸問題，特別是電池因過熱而起火。為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，斯坦福大學(xué)“雙子星”鮑哲南教授和崔屹教授攜手合作，報道了一種很有潛力的新技術(shù)，成本低，以防止鋰電池過熱。他們在傳統(tǒng)的鋰離子電池中增加了一個熱敏高分子聚合物薄膜“開關(guān)”材料，如果電池溫度過高就會迅速“掐斷”電池內(nèi)的電路，使之降溫；一旦溫度降至正常，該聚合物薄膜也恢復(fù)正常狀態(tài)，讓電池重新工作。該材料由電化學(xué)穩(wěn)定的石墨烯涂層的尖峰鎳納米顆?；旌隙?，納米顆粒混合在具有高熱膨脹系數(shù)的聚合物基質(zhì)中。制成的聚合物復(fù)合膜在室溫下顯示出高達50 S cm-1的高電導(dǎo)率。重要的是，聚合物復(fù)合膜的電導(dǎo)率可以在在達到轉(zhuǎn)變溫度時在一秒鐘內(nèi)降低七到八個數(shù)量級，并在室溫下自發(fā)恢復(fù)。內(nèi)置有這種自我調(diào)節(jié)材料的電池可在異常條件（例如過熱和短路）下迅速關(guān)閉，并能夠恢復(fù)其正常功能，而不會影響性能或造成熱失控。
參考文獻：
Fast and reversible thermoresponsive polymer switching materials forsafer batteries. Nat Energy 1, 15009 (2016). DOI:10.1038/nenergy.2015.9
原文鏈接：
