锂电池Nature Energy，浙江大学Nature Chemistry丨顶刊日报20230830

     

1. Nature Energy：阻碍高能量含硅锂离子电池商业化的问题  

硅由于其具有高质量容量，是高能锂离子电池中石墨阳极的一种有效替代品。然而，其固有的问题一直困扰着硅阳极电池的发展，如循环过程中的严重体积膨胀。近日， 蔚山国立科学技术研究所Jaephil Cho 、 庆尚大学Jaekyung Sung 综述研究了 阻碍高能量含硅锂离子电池商业化的问题。

         

本文要点：

1)   尽管科研工作者在解决这些问题方面取得了巨大进展，但在工业上大多数含硅电池（其中Si阳极由Si低氧化物或Si–C复合材料制成）只能使用非常有限的Si。

2)   作者回顾了影响含硅电池实际能量密度的重要因素，包括电池操作中的电极膨胀和截止电压。作者还讨论了电池的使用寿命、安全性和成本问题，这些问题对实际的电池设计有很大的影响。此外，作者提出了测试方案来评估新开发硅阳极的实际可行性。

         

Namhyung Kim, et al. Issues impeding the commercialization of laboratory innovations for energy-dense Si-containing lithium-ion batteries. Nature Energy 2023

DOI:  10.1038/s41560-023-01333-5

https://doi.org/10.1038/s41560-023-01333-5

         

2. Nature Chemistry：热固性聚氨酯泡沫向高性能3D照片打印树脂的化学循环  

聚氨酯热固性材料在现代生活中不可或缺，但其广泛使用已成为日益紧迫的环境负担。目前的回收方法产生性能较差的回收产品，使其无法大规模实施。在这里， 浙江大学Xie Tao 报道了一种用于热固性聚氨酯泡沫的高效化学循环策略，该策略产生的产品比原始材料具有更高的经济价值。

         

本文要点：

1)   从商品泡沫开始，作者发现聚氨酯网络在温和的条件下被化学分解成可溶解的混合物。作者证明，通过添加各种网络重整添加剂，可以配制出具有可调材料机械性能的三维光打印树脂，该树脂优于商业高性能树脂。

2)   此外， 作者对商品泡沫的直接化学循环更具经济效益，并且可以轻松实施，该原理可以扩展到其他热固性材料。

Zenghe Liu, et al. Chemical upcycling of commodity thermoset polyurethane foams towards high-performance 3D photo-printing resins. Nature Chemistry 2023

DOI:  10.1038/s41557-023-01308-9

https://doi.org/10.1038/s41557-023-01308-9

         

3. Nature Chemistry：混合价三维卤化物钙钛矿中Au ²⁺ 的稳定化  

尽管Cu ²⁺ 普遍存在，但5d轨道的相对论不稳定使Au ²⁺ 极为罕见，而通常仅通过Au–Au键或使用氧化还原配体来稳定。在这里， 斯坦福大学Hemamala I. Karunadasa 报道了钙钛矿Cs ₄ Au ^II Au ^III ₂ Cl ₁₂ ，这是一种具有单核Au ²⁺ 位点的固体。

         

本文要点：

1)   作者 使用 ¹⁹⁷ Au Mössbauer光谱、电子顺磁共振和磁化率进行测量，并分别与Cu ²⁺ 和Pd ²⁺ 的顺磁和反磁类似物以及密度泛函理论计算进行比较，确定了Au ²⁺ 氧化态。

2)   这种金钙钛矿为研究Au ^2+/3+ 混合价态的光学和电子输运以及Au ²⁺ 离子与简单配体配位的特性提供了机会。与传统钙钛矿Cs ₂ Au ^I Au ^III C _l6 相比，Cs ₄ Au ^II Au ^III ₂ Cl ₁₂ 的电子电导率增加了10 ³ 倍。

Kurt P. Lindquist, et al. Stabilizing Au ²⁺  in a mixed-valence 3D halide perovskite. Nature Chemistry 2023

DOI:  10.1038/s41557-023-01305-y

https://doi.org/10.1038/s41557-023-01305-y

         

4. Nature Catalysis：氨分解过程中反应物诱导的酰亚胺锂表面动力学  

由于氨在可持续氢基经济中的潜在作用，人们对酰亚胺锂表面的氨分解进行了深入研究。在这里，通过从头算分子动力学模拟， 意大利理工学院Michele Parrinello 表明催化剂的表面结构在暴露于反应物时发生变化，并且动态状态被激活。

         

本文要点：

1)   作者发现， 这种高度波动的状态导致了催化，而不是一个明确定义的静态催化中心。在这种活化的环境中，一系列最终导致N ₂ 和H ₂ 分子释放的反应成为可能。

2)   此外， 一旦试剂流被终止，酰亚胺表面就恢复到其原始状态。作者建议，通过合理设计这种动态界面状态，可以设计出高效的催化体系。

Manyi Yang, et al. Reactant-induced dynamics of lithium imide surfaces during the ammonia decomposition process. Nature Catalysis 2023

DOI: 10.1038/s41929-023-01006-2

https://doi.org/10.1038/s41929-023-01006-2

         

5. Nature Materials：WSe ₂ 稳定双双层扭曲石墨烯的超导性  

确定石墨烯基系统中超导电性的基本成分仍然是二维材料研究中的一个关键问题。这一领域与凝聚态物理学中非常规超导研究有关。科研工作者在单层石墨烯的魔角扭曲堆叠中观察到了超导性，但在双层石墨烯的扭曲堆叠中没有观察到超导性。在这里， 不列颠哥伦比亚大学Joshua Folk 报道了 WSe ₂ 稳定双双层扭曲石墨烯的超导性。

         

本文要点：

1)   作者在WSe ₂ 附近的扭曲双双层石墨烯（TDBG）中发现了超导性，并且扭转角为1.24°和1.37°的样品分别在价带和导带内的栅极调谐相图中为超导体。

2)   超导性出现在范霍夫奇点附近的非极化相，以及具有断同位旋对称性的区域附近。该结果显示了高态密度与超导性之间的相关性，同时揭示了同位旋涨落在配对中的作用。

Ruiheng Su, et al. Superconductivity in twisted double bilayer graphene stabilized by WSe _{2 .}  Nature Materials 2023

DOI:  10.1038/s41563-023-01653-7

https://doi.org/10.1038/s41563-023-01653-7

         

6. Nature Commun.：靶向铁死亡、二氧化铈锚定的埃洛石可作为口服药物递送系统以治疗放射性结肠炎  

放射性结肠炎是盆腔放疗患者发生腹泻、便血的主要原因之一。 暨南大学刘明贤教授和何蓉蓉教授 从铁死亡的角度探讨了放射性结肠炎的发病机制，并开发了一种由埃洛石粘土纳米管稳定的口服皮克林乳剂，其能够可通过抑制铁死亡来缓解放射性结肠炎。

 

本文要点：

1） 原位生长在纳米管上的二氧化铈纳米酶可以清除活性氧，而纳米管腔内负载的去铁酮则能够减轻铁应激。研究发现，这两种策略均能有效地抑制肠道微环境中的脂质过氧化，从而缓解铁死亡。

2） 粘土纳米管不仅能够作为缓解结肠炎的药物，也可以通过静电吸附作用作为靶向炎症结肠的纳米载体，并且其也是一种乳剂的界面稳定剂。实验结果表明，这种基于铁死亡的策略能够在体内外实验中表现出良好的有效性，综上所述，该研究能够为通过合理调节特定的氧化应激以实现放疗防护提供一个新的方法。

Yue Feng. et al. A ferroptosis-targeting ceria anchored halloysite as orally drug delivery system for radiation colitis therapy.  Nature Communications . 2023

DOI: s41467-023-40794-w

https://www.nature.com/articles/s41467-023-40794-w

         

7. Advanced Science：一种可促进周围神经再生的仿生自愈导电水凝胶    

自修复导电水凝胶的开发在电活性神经组织工程中至关重要。诸如聚吡咯（PPy）的典型导电材料通常用于制造人工神经导管。此外，组织工程领域已经朝着使用透明质酸（HA）水凝胶等产品的方向发展。尽管HA修饰的PPy膜被制备用于各种生物应用，但细胞-基质相互作用机制仍知之甚少；此外，还没有关于HA修饰的PPy注射自修复水凝胶用于外周神经修复的报道。 南通大学袁卉华、Yumin Yang和Biyun Li 利用HA、胱胺（Cys）和吡咯-1-丙酸（Py-COOH）构建了一种具有可注射性、生物降解性、生物相容性和神经再生能力的自修复导电水凝胶（HASPy）。

 

本文要点：

1） 水凝胶直接靶向白细胞介素17受体A（IL-17RA），并主要通过激活白细胞介因子17（IL-17）信号通路来促进与雪旺细胞髓鞘形成相关的基因和蛋白质的表达。

2） 将水凝胶直接注射到大鼠坐骨神经挤压损伤部位，以研究其体内神经再生能力，并发现其可促进功能恢复和髓鞘再生。

3） 这项研究有助于理解细胞-基质相互作用的机制，并为HASPy水凝胶作为神经再生高级支架的潜在用途提供新的见解。

Hongyun Xuan, et al. A Bioinspired Self-Healing Conductive Hydrogel Promoting Peripheral Nerve Regeneration. Advanced Science. 2023

DOI：10.1002/advs.202302519

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202302519

         

8. AEM：用于微型电池的 3D 纳米复合薄膜正极与平面薄膜相比具有增强的高倍率电化学性能  

高能量和高功率密度可充电微型电池是为下一代柔性电子产品、物联网和医疗技术设备供电的必需品。理论上，如果使用具有增强的叉指组件接口区域和缩短的离子扩散路径长度的3D架构，将会显着提高微电池的容量、电流和功率密度。如果所使用的材料具有高结晶质量并且优先定向以实现快速锂嵌入，则可以获得进一步的收益。在这项工作中， 剑桥大学Adam J. Lovett 开发了一种外延薄膜阴极，该阴极由嵌入电子导电 SrRuO ₃  (SRO) 支撑基质中的 LiMn ₂ O ₄  (LMO) 纳米柱组成。

         

本文要点：

1） 首次对这种 3D 垂直排列纳米复合材料 (VAN) 进行了电化学研究，该复合材料显示出清晰的阴极氧化还原特征，并证明了在高倍率条件下具有显着的容量保持能力。

2） 电化学性能取决于纳米柱的形貌，即晶体取向、纳米柱尺寸和电极/电解质界面表面积。

这项工作为实现 3D 架构微电池提供了一条途径，该电池在高倍率条件下具有高容量保留能力，从而实现快速充电功能。

Adam J. Lovett, et al, 3D Nanocomposite Thin Film Cathodes for Micro-Batteries with Enhanced High-Rate Electrochemical Performance over Planar Films, Adv. Energy Mater. 2023, 2302053

DOI: 10.1002/aenm.202302053

https://doi.org/10.1002/aenm.202302053

         

9. AEM：用于结构电池增材制造的高负载电极丝  

3D 打印创造几何复杂结构的独特能力为生产 3D 电极提供了一条有前途的途径，旨在提高有限空间内的功率和能量密度，而这通过传统的浆料铸造方法很难实现。然而，尽管多年来取得了进步，但 3D 打印电池在机械鲁棒性方面仍面临局限性，无法承受循环过程中显着的体积变化，并且由于缺乏足够的电极原料开发或后处理处理，电化学性能受到限制。

在此， 特拉华大学Kun Kelvin Fu 开发了一种含有约 65 wt.% 填料的高负载电极丝，能够制造具有改进的电化学性能和优异的机械性能的结构电极。

         

本文要点：

1） 通过结合 3D 打印和后处理技术，制造出具有高面负载密度的叉指结构，从而制造出面容量在 ≈0.92 mA cm ⁻²  时面容量增强为 ≈12.28 mAh cm ⁻²  的全电池。

2） 此外，经过碳化工艺处理的结构电池，通过碳化过程中产生的碳涂层一体化，表现出显着的抗压性能（模量为18.5 MPa，强度为1.09 MPa）。

总体而言，研究结果证明了 3D 打印电池在实际应用中的巨大潜力，同时展示了 3D 打印技术提供的可扩展性和设计灵活性。

Soyeon Park, et al, High-Loaded Electrode Filaments for Additive Manufacturing of Structural Batteries, Adv. Energy Mater. 2023

DOI: 10.1002/aenm.202301704

https://doi.org/10.1002/aenm.202301704

         

10. AEM：SrRuO ₃ 中缺陷诱导 d 轨道单电子的碱性析氢反应竞争吸附机制  

在碱性析氢反应（HER）中，水的解离能垒以及OH在催化剂上的易吸附性是限制催化活性的关键因素。近日， 南京理工大学Yongsheng Fu，Junwu Zhu 提出了一种在碱性HER背景下由d _z ² 电子驱动的新型竞争吸附机制。

         

本文要点：

1） Co掺杂SrRuO ₃ (V-SRCO)中高浓度的氧空位导致电子填充在Ru 4d _z ² 轨道中。

2） 在碱性条件下，V-SRCO表现出仅为57.8 mV的低过电势，塔菲尔斜率为35 mV dec ⁻¹ 。此外，它表现出持续60小时的高活性。

3） V-SRCO的高HER活性可归因于d _z ² 轨道中单个电子的存在，这降低了水解离的能垒。更重要的是，d _z ² 轨道中的活性电子可以注入OH的反键轨道，为催化剂上的OH吸附创造不利的环境。

这项工作为高效HER提供了有利条件。

Shencheng Pan, et al, Competitive Adsorption Mechanism of Defect-Induced d-Orbital Single Electrons in SrRuO ₃ for Alkaline Hydrogen Evolution Reaction, Adv. Energy Mater. 2023, 2301779

DOI: 10.1002/aenm.202301779

https://doi.org/10.1002/aenm.202301779

         

11. AEM：高性能水性锌离子电池中锌粉阳极的设计  

锌粉是极具潜力的水性锌离子电池锌金属阳极材料。然而，在传统的聚合物粘合剂复合锌粉阳极中，离子/电子转移和体积效应的限制导致电接触失效，从而降低了其电化学性能。近日， 广东工业大学李成超 、 杜文城 提出了一种基于低聚物胶合策略的高性能锌粉复合阳极。

         

本文要点：

1)   得益于粘弹性特性，软固体锌粉复合（ss-ZnP）阳极显著增强了电荷转移，减轻了体积效应，并使界面电场均匀化，从而实现了快速的电镀/剥离动力学和无枝晶沉积形态。

2)   此外，NH ₄ V ₄ O ₁₀ ‖ss ZnP全电池在0.1A g ⁻¹ 时具有更高的容量（510 mAh g ⁻¹ ），而在1A g−1时为300 mAh g ^–1 。该电池在1A g ⁻¹ 时具有长达500次循环的运行寿命，这优于传统的聚合物粘合剂复合锌粉阳极和其他流变锌粉基阳极。

Chuheng Cao, et al. Designing Soft Solid-like Viscoelastic Zinc Powder Anode toward High-Performance Aqueous Zinc-Ion Batteries. Adv. Energy Mater. 2023

DOI: 10.1002/aenm.202301835

https://doi.org/10.1002/aenm.202301835

         

12. AEM：用于可持续和可扩展发电的氧化还原介导的铁空气燃料电池  

铁空气电池（IAB）由于其高能量密度、低成本和环境友好性而受到广泛关注。然而，传统的IAB受到电极钝化、低往返能量效率和寄生析氢等问题的限制。 新加坡国立大学Wang Qing 介绍了一种氧化还原介导的铁-空气燃料电池（RM-IAFC）来克服这些限制。

         

本文要点：

1)   RM-IAFC分别在阳极电解液槽中和阴极电解液槽中使用一对氧化还原介质，并通过铁氧化和氧还原反应过程将能量从电极中释放出来。

2)   这种装置将储能和发电解耦，并且能够快速添加燃料，以及具有操作灵活性和可扩展性，进而消除了对昂贵催化剂的需求。凭借这些显著优势，RM-IAFC为可持续和可扩展的发电应用铺平了道路。

Mengqi Gao, et al. A Redox-Mediated Iron-Air Fuel Cell for Sustainable and Scalable Power Generation. Adv. Energy Mater. 2023

DOI: 10.1002/aenm.202301868

https://doi.org/10.1002/aenm.202301868

   

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