侴术雷，全职回国！

纳米人

2021-08-04

谈到钠离子电池，怎么也要提到侴术雷的名字。

他是钠离子电池研究领域最活跃的科学家之一，是国际钠离子电池领域业界公认的青年顶尖人才。

2021年7月，温州大学官方宣布，侴术雷教授正式加入温州大学。

侴术雷本硕毕业于南开大学，师从中国科学院陈军院士；博士毕业于澳大利亚伍伦贡大学，师从澳大利亚工程院窦士学院士。侴术雷自2020年1月起担任澳大利亚伍伦贡大学正教授，2021年7月起担任温州大学教授。

侴术雷教授主要致力于电化学储能电池相关电极材料的研究，长期推动钠离子电池产业化、自主产权化。发表Science、Nature Chemistry等论文270余篇，文章被他引超过15000次，其中有21篇被列为ESI高被引文章，H指数65， 2018-2020年连续3年入选全球高被引学者；申请和授权国际国内专利20余项，承担澳大利亚可再生能源署(ARENA)重大项目7项，2014年获得澳大利亚年轻科学家奖。

下面，我们精选了侴术雷教授近年来关于钠离子电池和钠硫电池的部分代表性成果，供大家学习交流。

值得一提的，我要介绍的第一个工作，并不是和钠离子电池直接相关，但是对于电池材料的设计与合成，应该是有很大启发的。最主要的是，这个工作开发了一种普适性的、多维度精确调控的、无机微纳米材料的规模化制备策略，这为无机纳米材料的商业应用提供了新的思路，并为研究不同维度无机纳米材料的各种应用性能提供了一个良好的研究平台，值得一读。

1. Nature Chemistry：无机微纳米材料的普适性合成

2. Nature Commun.: 钴原子电催化剂应用于钠硫电池！

室温钠硫（RT-Na/S）电池是满足市场规模和成本要求的理想选择，其与Li-S电池具有相似的反应机制，但在低的可逆容量和容量衰退方面面临着更加严峻的挑战。硫的导电性差、硫与钠的反应缓慢导致硫的利用率低、Na₂S_x（x≥2）的不完全还原（不是完全还原为Na₂S）是低容量的主要原因。此外，由于多硫化物的溶解，导致活性材料的损失，致使容量快速衰减。有效的材料设计是提高硫的导电性和活性并防止多硫化物溶解的主要因素。到目前为止，报道的硫载体（如空心碳球，导电聚合物等）可以表现出一定的作用，但需要一个巨大的飞跃才能达到实用标准。原子级金属材料（单原子金属和金属簇）不仅具有惊人的电子和反应特性，而且还可以达到最大的原子利用率。将新型原子金属引入硫载体是合理的，但非常具有挑战性。

2018年，澳大利亚卧龙岗大学侴术雷、Yun-Xiao Wang等人合成了一种高效的硫载体材料，Co原子（包括单原子Co和Co金属簇）支撑在空心碳（HC）纳米球的微孔中。

一般来讲，原子金属由于其高能量和不稳定性难以在纯碳材料中形成，但通过这样的方式，Co原子能够成功引入S@Co_n-HC复合材料中。反过来，活性S在通过强化学Co-S键形成，在稳定Co原子中起着关键作用。致使Co原子通过基于Co和S之间强相互作用的原子迁移策略迁移到具有S升华的HC壳中，大多数S分子扩散到C壳中，并被Co原子吸附。应用于RT-Na/S电池时，S@Co_n-HC正极表现出优异的电化学性能，这表明Co原子的最大化利用率具有多种功能：提高硫的电导率、活化硫的反应性，固定多硫化物。该材料提供1081 mA h g-¹的初始可逆比容量，硫利用率为64.7％，在100mA g^-1下循环600次后，保持507 mAh g^-1的高可逆比容量。在5 A g^-1的高电流密度下，平均比容量为220.3 mA h g^-1，展示了出色的倍率性能。证实了Co原子具有比Co纳米颗粒和CoS₂纳米颗粒更强的电催化能力。

Atomic cobalt as an efficient electrocatalyst in sulfur cathodes for superior room-temperature sodium-sulfur batteries[J], Nature Communication, 2018.

DOI: 10.1038/s41467-018-06144-x

https://www.nature.com/articles/s41467-018-06144-x

3. Nature Commun.:在空气和全天候温度下稳定的NASICON型正极用于钠离子电池

澳大利亚伍伦贡大学侴术雷与郑州大学陈卫华等人合成了一种低成本NASICON型Na₄Fe₃(PO₄)₂(P₂O₇)/ C纳米复合正极材料，其中可调碳涂层纳米粒子形成了坚固的复合层而不失去其结晶度。该复合材料展示了良好的储Na性能，在全天候温度下具有稳定的电化学性能。均匀涂覆的碳纳米粒子提供了快速的电子传输以及高离子扩散能力，实现了优异的倍率性能，并且在室温和低温/高温（-20℃/ 50℃）下获得了令人印象深刻的循环稳定性。此外，研究者发现这种材料即使在在空气中暴露三个月后也具有良好的稳定性，使用Fe₃O₄纳米球/硬碳作为负极实现了基于Fe的全SIB配置，观察到脱嵌过程中只有4.0％的低体积变化。原位同步辐射XRD和原位XANES分析揭示了Na₄Fe₃(PO₄)₂(P₂O₇)的优异可逆性，通过DFT以及BVS计算了每种钠扩散的可能途径，分析其高钠扩散系数，并确定其是三维钠离子扩散途径。

Mingzhe Chen et al, NASICON-type air-stable and all-climate cathode for sodium-ion batteries with low cost and high-power density. Nature Communications, 2019.

DOI: 10.1038/s41467-019-09170-5

https://www.nature.com/articles/s41467-019-09170-5

4. Nature Commun.: 植入NiS₂纳米晶的氮掺杂多孔CNT用于室温钠硫电池

多硫化物的溶解和转化反应的缓慢电化学动力学导致硫正极利用率低，从而阻碍了室温钠硫电池的进一步发展。澳大利亚伍伦贡大学侴术雷和Hui Liu、Yunxiao Wang等人报道了一种多功能的硫宿主，NiS₂纳米晶体被植入到氮掺杂的多孔碳纳米管中（NiS₂@NPCTs）。

1）内部具有连续碳骨架的一维导电NPCT可以提供短的离子扩散路径和快速的传输速率。

2）每个多孔纳米管中的大腔体可以用作封闭体，以保证硫的体积膨胀和有效的多硫化物容纳。

3）植入的NiS₂纳米晶体具有极性特征，可以牢固地与硫物种结合，并在空间上定位硫化物的沉积。

4）最重要的是，N掺杂位点和NiS₂极性表面能够增强多硫化物的吸附能，从而具有对多硫化物氧化的强催化活性。

归因于物理限制和化学键合的协同作用，基体的高电子电导率、封闭的多孔结构和多功能硫基质的极化添加剂可以有效地固定多硫化物。原位同步X射线衍射和DFT计算证明了碱基质和NiS₂组分的电催化行为，其中多硫化物具有很强的吸附能力，并且可溶性多硫化物高度转化为不溶性Na₂S₂ / Na₂S。经过合理的设计，可实现高的多硫化物固定化和转化率。所获得的硫正极在室温Na / S电池中表现出优异的性能。

Zichao Yan et al. Nickel sulfide nanocrystals on nitrogen-doped porous carbon nanotubes with high-efficiency electrocatalysis for room-temperature sodium-sulfur batteries, Nature Communications, 2019.

DOI: 10.1038/s41467-019-11600-3

https://www.nature.com/articles/s41467-019-11600-3

5. Angew.：不怕水的层状复合正极材料构建高效钠离子电池！

不含Ni或Co的低成本层状氧化物被认为是未来钠离子电池最有前途的正极材料之一。然而，层状正极界面处发生的电化学腐蚀导致容量和循环寿命的严重降低。伍伦贡大学侴术雷、同济大学黄云辉、上海大学王勇和吴明红团队合作，设计了一种新型P2@P3 Na_0.78Cu_0.27Zn_0.06Mn_0.67O₂复合材料（NCZM），由Zn掺杂诱导的P2@P3层状氧化物复合物仅由廉价过渡金属组成，作为钠离子电池正极材料展示出高倍率和长循环寿命性能。复合材料中的部分Zn替代可以有效地促进和控制P2@P3双相的形成，而双相的协同作用，不仅能够改善结构/电化学稳定性以及离子扩散速率，还改善了耐湿性。基于原位及光谱测试表征分析揭示了Cu²⁺/³⁺氧化还原反应的可能途径，并提出该复合材料的机理为固溶和两相机理。

Zichao Yan et al, A hydrostable cathode material based on the layered P2@P3 composite with revealed redox behavior of Cu for high‐rate and long cycling sodium‐ion batteries[J], Angew. Chem. Int. Ed. 2018.

DOI: 10.1002/anie.201811882

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201811882

6. Angew：TiO₂纳米晶中磷调制触发表面无序实现卓越的储钠性能

结构调制和表面工程对于快速有效的电荷存储具有显著的优势。有鉴于此，澳大利亚伍伦贡大学侴术雷、LeiWang和Hui Liu合作，提出了一种磷调制策略，同时实现表面结构无序化与内部原子级P掺杂，从而提高TiO₂的Na+储存动力学。所得到的P掺杂TiO₂纳米晶具有显著的核-壳-壳特征：

（i）内核为原子级P掺杂TiO₂，其中P掺杂剂的引入显著提高了电荷转移反应动力学和结构稳定性;

（ii）在碳涂层和TiO₂核之间形成薄的无序结构中间层，可以显著增加电化学活性; 

（iii）最外层的N掺杂石墨碳纳米层能够确保快速的电子传输。

研究发现原子级P掺杂的TiO₂纳米晶表现出有利的电子结构，增强的结构稳定性、Na+转移动力学以及表面电化学反应性，在Na+插入期间仅有~0.1％的体积变化，具有真正的零应变特性。该材料展示出优异的储Na性能，包括超高倍率（50C下仍有210mAh g^-1）和强大的长循环稳定性（30 C下5000次循环无显著的容量衰减）。

Q. Xia,Y. Huang, et al, Phosphorus Modulation Triggered Surface Disorder inTitanium Dioxide Nanocrystals Enables Exceptional Sodium Storage Performance. Angewandte Chemie International Edition, 2019.

DOI:10.1002/anie.201813721

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201813721

7. Angew：用于室温Na-S电池的单原子催化剂的一般合成

单原子催化剂（SACs）已成功用于各种电化学反应。但是，针对不同的单个金属原子的合成方法具有特定性。开发适用于多种单原子金属的通用合成方法极具挑战性。有鉴于此，深圳大学王雷教授，澳大利亚伍伦贡大学Yunxiao Wang，侴术雷教授报道了一种通用策略，可以在碳基质上合成各种金属单原子，包括钒（V₁），锰（Mn₁），铁（Fe₁），钴（Co₁），镍（Ni₁），铜（Cu₁），锗（Ge₁），钼（Mo₁），钌（Ru₁），铑（Rh₁），钯（Pd₁），银（Ag₁），铟（In₁），锡（Sn₁），钨（W₁），铱（Ir₁），铂（Pt₁），铅（Pb₁）和铋（Bi₁）。

文章要点：

1）研究人员采用对甲苯磺酸钠（P-TSNA）对聚吡咯（PPy）纤维进行侧链改性。钠离子从P-TSNA中脱落后，由于电荷补偿作用，改性后的PPy聚合物会在侧链上自吸金属阳离子。由于交错的侧链，被吸收的金属离子之间具有合适的间距，因此防止了它们在碳化过程中聚集。因此，基于各种金属阳离子的自掺杂，研究人员成功在氮掺杂碳骨架上获得了多种单原子金属。

2）在新型常温钠硫电池（RT-Na-S）中，各种SACs能够电催化典型的HER和转化反应，体现了其广泛的应用前景。研究发现，电化学反应性能的增强源于不同的单个活性原子在局域结构上调节其电子构型的能力。值得注意的是，在密度泛函理论计算的辅助下，通过原位同步X射线衍射和原位透射电子显微镜系统地揭示了不同SACs的电催化行为，为SACs的通用合成和在能量转换和储存方面的广泛应用提供了策略库。

Wei-Hong Lai, et al, General synthesis of single-atom catalysts for hydrogen evolution reactions and room-temperature Na-S batteries,  Angew. Chem. Int. Ed., 2020

DOI：10.1002/anie.202009400

https://doi.org/10.1002/anie.202009400

8. Angew：阴阳离子双重掺杂提高大功率钠离子电池钛氧化还原电位

钛基聚阴离子由于其优异的结构稳定性和热安全性而被广泛研究用于钠离子电池。然而，其低工作效率阻碍了进一步的应用。有鉴于此，伍仑贡大学窦士学，侴术雷和澳门大学Tang Yuxin等人结合实验和第一性原理计算，报道了一种阳离子/阴离子双重掺杂的Na₃Ti_0.5V_0.5(PO₃)₃N材料，可以提高Ti³⁺/Ti⁴⁺的氧化还原对电势。

文章要点：

1）采用传统固态方法，在氨气氛下，经过750 ℃退火后，制备出Na₃Ti_0.5V_0.5(PO₃)₃N材料。

2）由于N在其不寻常的立方对称性中的强感应作用，Na₃Ti_0.5V_0.5(PO₃)₃N（NTVN）具有两个独特的高氧化还原电势，分别为3.8 V和3.3 V。更重要的是，这种材料在循环过程中仅经历很小的体积变化（约占体积的0.73％），从而导致其几乎为零的应变特性，这对于电极材料保持循环稳定性（在3000次循环后为86.3％）非常重要。

3）Na₃Ti_0.5V_0.5(PO₃)₃N具有优异的高倍率容量（59.5 mAh g-1，20 C）以及高钠扩散系数（10^-13至10^{- 11}cm² s^-1）的电化学性能。

4）第一性原理计算揭示了Na₃Ti_0.5V_0.5(PO₃)₃N材料的固有稳定性，并得到其3D钠扩散途径和相应的低能垒。

5）具有出色的循环稳定性的Na₃Ti_0.5V_0.5(PO₃)₃N材料有望成为SIB的新正极候选材料。

Chen, M., et al, Strategy of Cation and Anion Dual Doping for Potential Elevating of Titanium Redox for High‐Power Sodium‐Ion Batteries. Angew. Chem. Int. Ed.., 2020

DOI：10.1002/anie.202003275

https://doi.org/10.1002/anie.202003275

9. Angew:新型高功率NASICON型高压钠离子电池正极材料的研究

钠离子电池正极材料一直是限制其在大规模储能领域实际应用的关键因素。在本文中，澳大利亚卧龙岗大学的侴术雷教授团队报道了一种具有电压高达4V的新型立方对称结构的NASICON型钠离子电池正极材料—Na₃V(PO₄)₃N。

他们利用N掺杂的氧化石墨烯在该材料表面实现了均匀的碳包覆层，使得该正极材料表现出优异的倍率性能和循环稳定性。这种石墨烯- Na₃V(PO₄)₃N复合材料的空气稳定性、水稳定性以及在不同气候条件下的稳定性都得到了验证。作者采用同步辐射原位X射线衍射发现在充放电过程中该材料晶格几乎不发生体积变化。X射线原位吸收光谱揭示了充放电过程中可逆的V^3.2+/V^4.2+的氧化还原反应。在Na₃V(PO₄)₃N材料的主体晶格中，Na⁺通过三维路径以较低的能垒进行快速可逆脱嵌。。我们的综合结果表明，这种新型的NASICON型Na₃V(PO₄)₃N复合材料在未来钠离子电池发展中将十分具有竞争力。

Mingzhe Chen, Weibo Hua, Shulei Chou et al, Understanding a New NASICON-Type High Voltage Cathode Material for High-Power Sodium-Ion Batteries, Angewandte Chemie International Edition, 2019

DOI: 10.1002/ange.201912964

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/pdf/10.1002/ange.201912964

10. Angew.: 易于合成的多级空心CoP@C用于钠/钾离子电池

温州大学王舜、Huanming Lu与伍伦贡大学侴术雷等人通过简便的合成方法获得了多级空心CoP@C复合物，其中前体的碳化和磷化是在一个步骤内完成。

该复合物由CoP@ C空心球构筑，而该空心球由具有薄的外碳层的CoP纳米颗粒组成。研究者对该材料进行了原位TEM，原位synchrotron XRD和DFT计算，以分析循环过程中Na / K离子和CoP之间的结构演化和相互作用。得益于导电碳层和空心结构的协同作用，所制备的复合材料具有出色的储钠和储钾能力。

Qiannan Liu, Zhe Hu,Yaru Liang, Lin Li, Chao Zou, Huile Jin, Shun Wang, Huanming Lu, Qinfen Gu, Shu-Lei Chou, Yong Liu, Shi-Xue Dou, Facile Synthesis of Hierarchical Hollow CoP@C Composites with Superior Performance for Sodium and Potassium Storage, Angewandte Chemie International Edition, 2019.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201913683

11. Angew：外延亚铁氰化镍稳定亚铁氰化锰的Jahn-Teller畸变助力钠离子电池

锰基普鲁士蓝，Na_2-δMn[Fe(CN)₆]（MnPB），由于其高容量，是钠离子电池（SIBs）正极材料的理想候选者。然而，在电池循环过程中，由于Mn²⁺被氧化为Mn³⁺时会发生不稳定的Jahn-Teller畸变，从而导致电池容量严重衰减。

近日，澳大利亚伍伦贡大学侴术雷教授报道了一种通过外延镍基普鲁士蓝(Na_2-δNi[Fe(CN)₆])（NiPB）外层来稳定MnPB的方法。NiPB与MnPB具有相似的晶格，因此如果一种材料生长在另一种材料的表面上，它们可以相互耦合。

文章要点:

1）采用的一锅法合成依赖于一种对Mn²⁺和Ni²⁺具有不同亲和力的螯合剂，这阻止了Ni²⁺的反应，直到Mn²⁺被消耗掉。这是一种新的更简单的核壳材料的合成，传统上需要几个步骤。

2）所得材料的电化学容量为93 mA·h·g-1，500次充放电循环后仍保持96%的容量（MnPB为37%）。此外，该材料具有出色的倍率性能：在4 A g^-1（约55 ℃）下，可逆容量为70 mA h g^-1，Na⁺离子扩散系数在10^-8 cm² s^-1以上。

3）基于非原位XRD分析，富Mn相和富Ni相在充放电过程中都发生了相变，与纯MnPB相比，这些相变是完全可逆的，即使在长时间循环后也是如此。这表明富Ni外层在稳定通常电化学不稳定的富Mn核方面具有积极的作用。研究人员认为富Ni外层的外延性质对富Mn内层施加了各向异性应变，这可以防止它在脱钠过程中通常经历的Jahn-Teller畸变。

本文报道的合成方法为制备外延核壳颗粒提供了一种新的、简单的方法，并为实验由柠檬酸钠具有不同亲和力的其他金属对组成的层状普鲁士蓝材料或测试其他螯合剂提供了可能性。

Florian Gebert, et al, Epitaxial Nickel Ferrocyanide Stabilizes Jahn-Teller Distortions of Manganese Ferrocyanide for Sodium-Ion Batteries, Angew. Chem. Int. Ed., 2021

DOI: 10.1002/anie.202106240

https://doi.org/10.1002/anie.202106240

12. AEM：通过可调阳极氧化构筑非晶氧化钒/氧化锰纳米杂化材料用于高性能钠离子电池

结构工程和在电极中产生原子无序是实现先进电池中高效和快速电荷存储的一种重要策略。近日，澳大利亚伍伦贡大学侴术雷教,深圳大学王雷教授，黄扬，授报道了通过可调节阳极氧化获得了一种在层状V₂C MXene上共形包覆非晶态V₂O_x（a-VO_x/V₂C）的纳米杂化材料。结果显示，其50 mAg^-1的可逆容量高达307mAh g^-1，2000 mAg^-1的容量可达96mAh g^-1，并且具有良好的循环稳定性，可作为钠离子电池的正极。

文章要点

1）a-VO_x层通过在非晶态框架中提供足够的空位和开放路径，实现了可逆和快速的Na⁺插入/提取，这与其晶体结构中的不可逆相变不同，而层状V₂C MXene则提供了丰富的电子/离子转移通道，这些通道彼此连接在一起提高了电化学性能。

2）原位拉曼光谱、原位透射电子显微镜、原位同步X射线吸收光谱和密度泛函理论（DFT）计算等结果清楚地揭示了a-VO_x/V₂C纳米杂化材料的可逆性和结构优势，证明了无序骨架中V⁴⁺和V⁵⁺之间存在可逆的V-O振动和价态振荡，同时结构稳定，Na⁺扩散畅通。

这项工作为基于MXene的先进充电电池纳米结构电极的精细设计提供了参考。

参考文献

Wang Zhang, et al, Architecting Amorphous Vanadium Oxide/MXene Nanohybrid via Tunable Anodic Oxidation for High-Performance Sodium-Ion Batteries, Adv. Energy Mater. 2021

DOI: 10.1002/aenm.202100757

https://doi.org/10.1002/aenm.202100757

13. Angew：一种低应变富钾类普鲁士蓝正极助力高功率钾离子电池

大多数钾离子电池（PIBs）正极材料由于K⁺离子半径大，结构稳定性差，导致其循环稳定性较差。有鉴于此，南开大学陈军院士，澳大利亚侴术雷教授报道了一种低应变富钾K_1.84Ni[Fe(CN)₆]_0.88∙0.49H₂O（KNiHCF）作为PIBs正极材料。

文章要点：

1）所制备的KNiHCF正极在100 mA g⁻¹下的可逆放电容量为62.8 mAh g⁻¹，放电电压为3.82 V。在5000 mA g⁻¹下，其倍率性能最高可达45.8 mAh g⁻¹,100次循环后容量保持率为88.6%。

2）原位表征和理论计算相结合的结果表明，KNiHCF正极的优异性能源于其低应变钾离子脱/嵌机制、本征半导体特性和低的钾离子扩散势垒。此外，KNiHCF//石墨全电池的高功率密度和长期稳定性进一步证明了富K的KNiHCF正极在PIBs中的可行性。

这项工作有望为开发普鲁士蓝类似物作为高性能PIB的正极材料提供有意义的指导。

Lin Li, et al, A Low-Strain Potassium-Rich Prussian Blue Analogue Cathode for High Power Potassium-Ion Batteries Angew. Chem. Int. Ed., 2021

DOI: 10.1002/anie.202103475

https://doi.org/10.1002/anie.202103475

14. Angew：界面工程产生的超高初始库仑效率用于实现快速、稳定的钠存储

具有高初始库仑效率意味着有效的界面结构和极少的电解液消耗，从而提高了电池的寿命和功率输出，因此具有重要意义。近日，澳大利亚伍伦贡大学侴术雷教授、郑州大学陈卫华教授，加拿大国立科学研究院孙书会教授等人报道了合成了一种具有FeS₂纳米团簇（~1~2 nm）嵌入N，S掺杂碳基体（FeS₂/N,S-C）的高容量钠存储材料，其表面具有缺陷修复特性，点阵分布着Fe-N-C/Fe-S-C键。在初始放电过程中，FeS₂/N,S-C具有均匀的超薄富NaF（6.0 nm）固体电解质界面（SEI），从而获得了可验证的超高初始库仑效率（~92%）。

文章要点

1）研究人员首先对NaCl、Fe(NO₃)₃·9H₂O和葡萄糖溶液进行冷冻干燥和煅烧。然后去除NaCl得到嵌入Fe₃O₄前驱体的N掺杂碳基体（Fe₃O₄/N-C），进一步硫化得到连续交联的多孔FeS₂/N,S-C，并通过SEM和HAADF-STEM对其进行了表征，揭示了FeS₂/N,S-C上分散良好的FeS₂纳米团簇，尺寸为1-2 nm。进一步利用FT-IR、XPS和XAFS证实了FeS₂/N,S-C中的N、S掺杂碳与FeS₂之间的联系。

2）缺陷修复的表面提供了完美的平台，点阵分布的Fe-NC/Fe-S-C键对NaSO₃CF₃和二甘醇二甲醚的快速分解的催化作用成功地加速了二维超薄SEI的形成。密度泛函理论（DFT）计算进一步证实了其催化机理。

3）结果表明，所构建的FeS₂/N，S-C具有较高的可逆容量（0.1 A g⁻¹时为749.6 mAh g⁻¹）和优异的循环稳定性（92.7%，10000次循环，10.0 A g⁻¹）。特别是在−15 °C时，在10.0 A g⁻¹下的可逆容量为211.7 mAh g⁻¹。所组装成的袋式电池具有潜在的应用前景。

这项工作为通过界面设计以改进电池性能提供了一条有效途径。

参考文献

Yanhua Wan, et al, Ultra-high initial coulombic efficiency induced by interface engineering enables rapid, stable sodium storage, Angew. Chem. Int. Ed.

DOI: 10.1002/anie.202102368

https://doi.org/10.1002/anie.202102368

15. Angew：阳离子添加剂在Na-O2电池中的双功能效应

非质子型Na-O₂电池以其低过电位和高能量密度引起了人们越来越多的兴趣。然而，其循环稳定性和库仑效率受到钠枝晶形成和超氧化物(O₂^-)降解的严重限制。近日，澳大利亚伍伦贡大学侴术雷教授、南开大学李福军教授报道了一种双功能阳离子添加剂，四丁基铵阳离子(TBA⁺)，用于同时保护Na负极和稳定超氧化物。

文章要点：

1）TBA⁺在Na负极上的吸附抑制了镀钠过程中枝晶的形成，保证了负极在Ar和O₂气氛中高电流密度下的循环稳定性。此外，含有TBA⁺的非质子型Na-O₂电池表现出更高的库仑效率和良好的倍率性能。

2）研究人员通过从头算分子动力学模拟和密度泛函理论计算证实了O₂^-的快速解溶动力学和O₂^-与TBA⁺歧化反应的抑制。

这种阳离子添加剂的双功能效应为发展Na-O₂电池开辟了一条新的途径。

Shuo Zhao, et al, Bifunctional Effects of Cation Additive on Na‒O₂ Batteries, Angew. Chem. Int. Ed.

DOI: 10.1002/anie.202012787

https://doi.org/10.1002/anie.202012787

16. AEM：介孔空心球约束超薄2D超晶格用于超快大容量钠离子存储

鉴于钠资源的天然丰富性，钠离子电池受到越来越多的关注。然而，其缓慢的嵌钠动力学是开发具有高倍率性能和高能量密度钠离子电池的一项严重挑战。

有鉴于此，澳大利亚伍伦贡大学侴术雷教授、郑州轻工业学院方少明教授报道了在介孔TiO₂@C空心纳米球内部构建了垂直排列的具有片状球形纳米结构的2D二氧化钛-碳超晶格（2D UNs⊂MT@C）。

文章要点

1）研究人员首先将SiO₂纳米球用作模板，并用十六烷基胺（HDA）-二氧化钛低聚物复合材料均匀涂覆。HDA分子中的氨基可通过氢键作用与二氧化钛低聚物相互作用，缩合成致密的非晶态无机有机壳（aTiO₂/HDA）。在随后的溶剂热过程中，致密的无定形外壳逐渐演变为中孔晶体结构，同时去除了HDA。在涂覆一层聚多巴胺(PDA)后，得到的中间产物进一步退火，然后去除SiO₂核。最后，在中空TiO₂/碳纳米球中垂直包裹具有阶梯状形貌的2D UNs的分级纳米结构（2D UNs⊂MT@C）。

2）超薄的2D超晶格由有序交替的二氧化钛和碳的单分子层组成，使得电子和Na⁺能够快速传输的互穿路径，以及用于Na⁺存储的2D异质界面。动力学分析表明，二维异质界面和介孔的结合导致了一种插层赝电容电荷储存机制，从而触发了超快嵌钠动力学行为。

3）原位透射电子显微镜成像和原位同步加速器X射线衍射技术表明，球状板状结构可以保持良好的力学和晶体结构稳定性，在0.2 C下的500次循环中，钠离子电池具有超高的倍率性能和显著的循环稳定性，其容量衰减率仅为0.04%，此外，在50 ℃下的循环能力高达20000次，具有极高的长期循环稳定性。

该研究工作提供了一种通过设计层次化纳米结构来实现具有高功率密度和长期循环稳定性的电池的策略。

Qingbing Xia, et al, Confining Ultrathin 2D Superlattices in Mesoporous Hollow Spheres Renders Ultrafast and High-Capacity Na-Ion Storage, Adv. Energy Mater. 2020

DOI: 10.1002/aenm.202001033

https://doi.org/10.1002/aenm.202001033

17. Angew.:层状P2@P3集成尖晶石结构演变用于高性能钠离子电池

对于钠离子电池正极，循环过程中的结构演变对其电化学性能起着至关重要的作用。伍伦贡大学侴术雷教授和中科院化学所郭玉国研究员等人通过设计晶体结构和元素替代的策略，设计了一种稳定的层状P2@P3集成尖晶石Na_0.5Ni_0.1Co_0.15Mn_0.65Mg_0.1O₂氧化物正极材料。

本文要点：

1）由于其三相共生结构和阳离子取代策略的协同作用，这种新型电极显示出优异的钠离子半/全电池性能。

2）通过STEM，XRD，XAS等表征技术综合分析固有的层状P2@P3集成尖晶石结构，清楚地阐明并确认了电荷补偿机制，结构演变，原子排列和相变。

3）这项研究提供了对这种特殊结构中结构与性能关系的深入了解，并通过操纵结构演变为高性能电池正极的设计开辟了一个新领域。

Yanfang Zhu, et al. Manipulating Layered P2@P3 Integrated Spinel Structure Evolution for High‐Performance Sodium‐Ion Battery, Angew., 2020.

DOI: 10.1002/anie.201915650

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201915650

综述

18. AEM综述：硬炭负极：超越锂离子和钾离子电池的钠离子电池的基本认识和商业前景

硬碳（HC）是一种具有优异电化学性能的碱金属离子电池负极材料，包括锂离子电池（LIBs）及其类似物钠离子电池（SIBs）和钾离子电池（PIBs）。然而，目前还没有完全阐明其离子储存机制。此外，也没有系统研究过对实际应用至关重要的普遍较低的ICE，以及决定HC负极循环性能的SEI的形成和演化。近日，澳大利亚伍伦贡大学侴术雷教授，Yun-Xiao Wang，西京学院苗宗成全面综述了用于SIBs的HC负极的基本原理和研究进展。

文章要点：

1）作者全面概述了HC的结构，并简要阐明了用于LiBs和PIBs的HC负极的离子存储机理和电化学性能，以突出其在SIBs中的应用潜力。

2）作者阐明了HC材料设计和电解质优化，以解决其低ICE和不稳定SEI的问题。此外，针对HC负极在实际应用中的安全问题和全天候性能，作者也进行了简要的总结。同时，作者强调了SIBs的全电池性能和商业原型。

该综述有望为HC的结构设计和性能优化提供指导，以推动在不久的将来HC基SIBs的商业化进程。

Ling-Fei Zhao, et al, Hard Carbon Anodes: Fundamental Understanding and Commercial Perspectives for Na-Ion Batteries beyond  Li-Ion and K-Ion Counterparts, Adv. Energy Mater. 2020

DOI: 10.1002/aenm.202002704

https://doi.org/10.1002/aenm.202002704

19. Angew综述:多电子反应硫基正极材料用于室温钠离子电池

 新兴的可充钠离子储能体系（如钠离子电池和室温钠硫电池）正凭借其低成本优势而逐渐成为规模储能的最佳选择。由于具有高丰度、易于制备和独特的物理化学性质，以金属硫化物和单质硫为代表的硫基正极材料成为基于多电子转化反应的高容量高可逆性钠离子的储能体系中最优希望的候选者。有鉴于此，澳大利亚伍伦贡大学侴术雷和武汉大学曹余良团队对硫基正极材料的储钠机理提出了审慎的观点。

他们对最近有关金属硫化物作为钠离子电池负极材料时改善电子电导和体积膨胀耐受力的工作进行了总结概括。此外，还对当前室温钠硫电池中所用硫正极的发展进行了分析。最后，文章对硫基正极材料在钠离子电池和室温钠硫电池中的关键问题、当前挑战以及发展前景进行了探讨。

Yunxiao Wang, Shulei Chou et al, Sulfur‐based electrodes via multi‐electron reactions for room‐temperature sodium‐ion storage, Angew. Chem. Int. Ed.,2019

DOI: 10.1002/anie.201902552

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201902552?af=R

20. EES综述：钠过渡金属氧化物，未来钠离子电池的首选正极？

探索下一代钠离子电池（SIBs），以取代目前商品化的锂离子电池，缓解锂资源日益枯竭的问题，是全世界关注的问题。钠系过渡金属氧化物被认为是最有前途的SIBs正极材料之一。在 LIBs中，富锂过渡金属氧化物中的阴离子氧化还原反应除了具有阳离子氧化还原活性外，还具有额外的容量。研究发现，SIBs中也存在类似的现象，甚至适用于缺钠过渡金属氧化物。此外，混合相过渡金属氧化物也显示出很大的潜力。近日，温州大学王舜教授，澳大利亚伍伦贡大学侴术雷教授系统地综述了SIBs中阴离子氧化还原的研究进展。

文章要点：

1）作者对用于SIBs的高容量过渡金属氧化物正极材料的最新进展进行了分类和总结，并将其分为与阴离子氧化还原相关和与阴离子氧化还原不相关的两大类。

2）作者指出了SIBs研究面临的挑战以及可用的解决方案和策略，最后提出了具有新见解的指导。

该综述有望为控制阴离子氧化还原活性和发现用于SIBs的新型高容量氧化物正极材料提供新的观点。

Qiannan Liu, et al, Sodium transition metal oxides: the preferred cathode choice for future sodium-ion batteries?, Energy Environ. Sci., 2020

DOI: 10.1039/D0EE02997A

https://doi.org/10.1039/D0EE02997A

21. AFM：钠离子电池正极商业化的必然选择，层状过渡金属氧化物与普鲁士蓝类似物！

随着对可再生能源和清洁能源需求的快速增长，并且由于钠资源丰富成本低廉，钠离子电池（SIB）已成为当前商用锂离子电池（LIB）的替代产品。为了进一步推进其发展，温州医科大学Yong Liu，王舜和澳大利亚卧龙岗大学侴术雷等人就层状过渡金属氧化物和普鲁士蓝类似物（PBA）作为SIB正极材料的商用前景进行了综述，总结了将其用作钠离子半电池和全电池的最新进展。此外，还将它们的电化学性能，大规模制备的可行性，成本以及对未来前景进行了详细的比较。预计这次总结将进一步激发层状过渡金属氧化物和普鲁士蓝类似物相关的研究。

本文要点：

1） 与LIB相比，SIB的低成本和安全特性使其为大型储能应用而生。目前已经对层状Na_xMO₂和PBA进行了大量的学术研究，以探索其电化学机理。

2） 由于PBA是从液相合成而来的，因此结构中固有的结晶水和空位肯定会对它们的电化学性能产生影响。重要的是弄清楚反应机理，包括任何相变，结构内的水分和电化学循环过程中的活性钠存储位点，以提供更好的理论指导。

3） 与PBA相比，层状的Na_xMO₂显示出更高的体积能量密度，并且更适合于高能量密度应用场景。由于P2型Na_xMO₂的钠缺乏和预沉淀的复杂性，O3型材料表现出更好的实际优势。

4） 对于聚阴离子复合正极，在大规模生产中，很难获得均匀的形貌和组成，同时通常还需要与导电材料复合并使用惰性气体保护，这样才能保证其性能的稳定。

Qiannan Liu, et al. The Cathode Choice for Commercialization of Sodium‐Ion Batteries: Layered Transition Metal Oxides versus Prussian Blue Analogs, Adv. Func. Mater. 2020

DOI: 10.1002/adfm.201909530

https://doi.org/10.1002/adfm.201909530

22. EES综述：可在极端条件下工作的电化学储能器件的研究进展

储能系统（ESSs）革命蓬勃发展了下一代个人电子产品、电动汽车/混合动力汽车和固定储能。随着先进储能技术的迅速应用，储能系统的用途越来越广泛，不仅在正常情况下，而且在极端条件下（高/低温、高拉伸/压缩等），给储能领域的研究带来了新的挑战。为了打破ESSs在正常条件下的电化学限制，迫切需要开发新的方法/概念，揭示不同场景下新的电化学反应和现象的机理以解决ESSs在极端条件下工作的关键挑战。近日，福州大学 Yuxin Tang，澳大利亚伍伦贡大学侴术雷教授综述了可以极端条件下工作的ESSs的研究进展。

文章要点：

1）作者首先概述了极端条件下电化学ESSs相关关键科学问题（如电化学热力学和动力学、机械设计等），以及保持良好性能的研究方向。

2）作者总结了在极端条件下（高/低温、高拉伸/高压力/高剪切、贫/高浓度电解质、高水分/高湿度、高盐度、超高负载质量、超长循环和超高倍率）应用现有ESSs存在的主要障碍，并总结了解决这些障碍的相应办法，以及提高其电化学性能的有效策略。

3）作者最后进一步强调了在极端条件下应用ESSs仍然面临的的关键挑战和未来研究方向。

参考文献

M. Chen, Y. Zhang, G. Xing, S. Chou and Y.  Tang, Electrochemical Energy Storage Devices Working in Extreme Conditions, Energy Environ. Sci., 2021

DOI: 10.1039/D1EE00271F

https://doi.org/10.1039/D1EE00271F

我们期待看到，侴术雷教授在温州大学，做出更多原创性成果！