2023年度徐吉靜課題組金屬?空氣電池研究取得新進展，在J. Am. Chem. Soc.（3篇）、Angew. Chem. Int. Ed.（5篇）、Adv. Mater.（2篇）、Chem（1篇）、Matter（1篇）、Adv. Energy Mater.（2篇）、Adv. Funct. Mater.（2篇）、ACS Energy Lett.（1篇）、Energy Storage Mater.（1篇）等期刊上面發(fā)表18篇學術論文，獲得授權國家發(fā)明專利5件，以下為代表性成果介紹：1.J. Am. Chem. Soc.：COF固態(tài)電解質(zhì)助力全固態(tài)鋰電池技術
固態(tài)鋰電池具備能量密度更高、不可燃、不揮發(fā)、耐高溫等特性，已經(jīng)成為學術界和產(chǎn)業(yè)界爭相研發(fā)的熱點。固態(tài)電解質(zhì)是固態(tài)鋰電池的核心材料，電解質(zhì)很大程度上決定了固態(tài)鋰電池的各項性能參數(shù)，如能量密度、安全性能、高低溫性能以及循環(huán)壽命。目前經(jīng)典的固態(tài)電解質(zhì)，如氧化物、硫化物、鹵化物、聚合物等，由于其穩(wěn)定性不足還很難滿足固態(tài)鋰電池在實用場景中運行的要求。發(fā)展一種兼具高環(huán)境適應性和優(yōu)異電化學性能的新型固體電解質(zhì)材料是十分迫切的。該工作選擇具有Oh對稱構型的多面體低聚硅氧烷（POSS）作為構筑單元，設計合成了四種分別具有“the”和scu拓撲結(jié)構的新型有機-無機雜化三維（3D）共價有機框架（COFs）。POSS基COFs的雜化網(wǎng)絡具有可設計的化學結(jié)構和高比表面積，保持了與無機鹽的高相容性，豐富的周期性電活性位點，優(yōu)異的熱穩(wěn)定性以及開放的多層次納米孔道等優(yōu)點?；谏鲜鎏攸c，COF材料作為固態(tài)電解質(zhì)在室溫下展現(xiàn)出1.23 × 10?4S cm?1的高離子電導率和0.86的鋰離子轉(zhuǎn)移數(shù)，并具有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、力學穩(wěn)定性和電化學穩(wěn)定性。基于該類固態(tài)電解質(zhì)的鋰金屬電池在0.5 C和2.2 ~ 4.35 V之間循環(huán)時放電容量為133.7 mAh g?1；經(jīng)過100次充放電循環(huán)后，容量保持率為93%。該工作發(fā)表在國際權威期刊J. Am. Chem. Soc.2024, 146, 3373?3382上，吉林大學鼎新學者喬冠宇博士為論文第一作者，金恩泉教授、徐吉靜教授、于吉紅教授為論文共同通訊作者。論文詳情：Guan-Yu Qiao, Xiaoxue Wang, Xiao Li, Juan Li, Keyu Geng, En quan Jin*, Ji-Jing Xu*, and Jihong Yu*, Unlocking Synthesis of Polyhedral Oligomeric Silsesquioxane-Based Three-Dimensional Polycubane Covalent Organic Frameworks,J. Am. Chem. Soc., 2024, 146, 3373–3382.全文鏈接：https://doi.org/10.1021/jacs.3c12650。2.J. Am. Chem. Soc.：構筑光輔助固態(tài)鋰?氧氣電池新體系
鋰?氧氣電池擁有超高的理論比能量被認為是極具發(fā)展前景的下一代電池技術。然而，電池中正極反應動力學緩慢、電解液分解、鋰負極枝晶等關鍵科學和技術難題仍然制約著鋰?氧氣電池的實際應用。該課題組前期研究證明利用太陽能構筑光輔助鋰?氧氣電池是提升正極反應動力學的有效策略；采用高機械強度和安全性的固態(tài)電解質(zhì)取代液態(tài)電解質(zhì)，可以有效避免不可逆的電解液分解和負極鋰枝晶生長。因此，構筑光輔助固態(tài)鋰?氧氣電池將同時發(fā)揮光輔助策略和固態(tài)電池的雙重優(yōu)勢，有望同時解決電池的正極動力學緩慢、電解液分解、負極枝晶等關鍵難題。基于此，該工作利用可調(diào)電子/離子混合導體MOF材料同時用作固態(tài)電解質(zhì)和固態(tài)空氣正極，構筑了光輔助固態(tài)鋰?空氣電池新體系。得益于MOF對電子和離子傳導具有良好的可調(diào)性，固態(tài)空氣正極和固態(tài)電解質(zhì)使用同質(zhì)混合導體MOF材料，可以有效避免采用兩種不同電子和離子導體引起的電子轉(zhuǎn)移和鋰離子傳導不連續(xù)的問題。與已報道的固態(tài)鋰?氧氣電池低能效相比，這項工作的能效高達94.2%，實驗驗證了使用混合導體是實現(xiàn)高性能固態(tài)鋰?氧氣電池的重要策略。該工作開發(fā)的MOF固態(tài)電解質(zhì)材料也被進一步組裝成固態(tài)鋰離子電池，同樣展現(xiàn)出優(yōu)異的電池性能和高安全性，展示了MOF固態(tài)電解質(zhì)在下一代可實用化固態(tài)鋰電池技術中的廣闊應用前景。該文章發(fā)表在國際權威期刊J. Am. Chem. Soc.2023, 145, 10, 5718–5729上，吉林大學鼎新學者王曉雪博士為論文第一作者，徐吉靜教授為通訊作者。論文詳情：Xiao-Xue Wang, De-Hui Guan, Cheng-Lin Miao, De-Chen Kong, Li-Jun Zheng, and Ji-Jing Xu*, Metal?Organic Framework-Based Mixed Conductors Achieve Highly Stable Photo-assisted Solid-State Lithium?Oxygen Batteries,J. Am. Chem. Soc., 2023, 145, 5718–5729.全文鏈接：https://doi.org/10.1021/jacs.2c11839。3.J. Am. Chem. Soc.：構筑基于非固體放電產(chǎn)物的鋰?氧氣電池新體系
電池放電過程中產(chǎn)生的固體放電產(chǎn)物極易鈍化空氣正極，導致正極失活和結(jié)構破壞，鋰?氧氣電池在倍率性能、能量轉(zhuǎn)化效率以及循環(huán)壽命等依然存在較大提升空間。國內(nèi)外研究人員通過調(diào)控放電產(chǎn)物的形貌和化學組成，可以有效緩解正極鈍化、堵塞及結(jié)構破壞等問題，但放電池產(chǎn)物仍為固體形態(tài)，無法徹底解決該問題。如果通過合理設計具有特定功能的催化劑來精準調(diào)控放電產(chǎn)物的固有性質(zhì)與生長模式，生成非固體放電產(chǎn)物并溶解于電解液，則可從源頭上解決正極鈍化的難題?；诖耍摴ぷ髟O計與可控制備了銥單原子@孔狀有機聚合物材料，并用作鋰?氧氣電池正極液相催化劑，由于銥金屬與超氧化鋰（LiO2）的晶格高度匹配，溶液中單原子高分散且單一的活性位點作為放電中間體LiO2的捕獲劑，使LiO2不會進一步歧化反應生成Li2O2，并使LiO2溶解于電解液中，構筑了基于可溶性LiO2循環(huán)的鋰?氧氣電池新體系，大幅提高了電池的綜合性能。該電池體系展現(xiàn)出12.8 mAh的超高放電容量，0.03 V的超低過電位和700 h的超長循環(huán)壽命。該工作中提出的基于非固體放電產(chǎn)物的鋰?氧氣電池新體系，可從根源上解決固體放電產(chǎn)物對正極鈍化的問題，為構筑高性能鋰?氧氣電池提供了新觀點和科學依據(jù)。該工作發(fā)表在國際權威期刊J. Am. Chem. Soc.2024, 146, 2, 1305–1317上，吉林大學博士后宋麗娜為論文第一作者，徐吉靜教授為通訊作者。論文詳情：Li-Na Song, Li-Jun Zheng, Xiao-Xue Wang, De-Chen Kong, Yi-Feng Wang, Yue Wang, Jia-Yi Wu, Yu Sun, and Ji-Jing Xu*, Aprotic Lithium–Oxygen Batteries Based on Nonsolid Discharge Products,J. Am. Chem. Soc., 2024, 146, 1305–1317.全文鏈接：https://doi.org/10.1021/jacs.3c08656。4.Angew. Chem. Int. Ed.：PIM固態(tài)電解質(zhì)助力全固態(tài)鋰電池技術
隨著“雙碳”成為全球共識，儲能產(chǎn)業(yè)的市場發(fā)展?jié)摿薮?，亟需發(fā)展具有高比能的下一代電池技術。以金屬鋰作為負極的鋰金屬電池因其高能量密度優(yōu)勢，成為最有希望的候選者。然而，由于商用有機電解質(zhì)具有揮發(fā)性和易燃性的特征，電池運行過程中極易引發(fā)安全問題。該課題組前期研究證明利用高機械強度和安全性的固態(tài)電解質(zhì)替代液態(tài)電解質(zhì)，可以有效避免不可逆的電解液分解和負極鋰枝晶生長，從而提高電池的安全性和循環(huán)壽命。探索兼具高離子電導率、高電化學穩(wěn)定性、高機械強度、高界面加工性和低成本的新型固態(tài)電解質(zhì)材料，是鋰金屬電池研究的重要發(fā)展方向。該工作開發(fā)了一種基于具有亞納米離子傳輸路徑的固有微孔聚合物（PIMs）固態(tài)電解質(zhì)新材料，揭示了鋰離子在自聚微孔通道中的輸運機制，并構筑了高安全長壽命的固態(tài)鋰金屬電池和固態(tài)鋰?氧氣電池。通過骨架成分及傳輸通道孔徑的調(diào)控可以優(yōu)化固有微孔離子傳輸通道，可以使自由體積元素有效地互連為篩分分子和離子的篩子，從而調(diào)控鋰離子在結(jié)構中的傳輸。實驗結(jié)果表明，PIM固態(tài)電解質(zhì)展現(xiàn)出1.06×10?3S cm?1的高離子電導率，0.19 eV的高活化能和0.78的鋰離子遷移數(shù)。同時，PIMs具有優(yōu)異的尺寸篩分能力、溶液加工性能、柔韌性、易成膜、易規(guī)?；糯蟮葍?yōu)勢，作為固態(tài)電解質(zhì)展現(xiàn)出高的離子電導率、高電化學穩(wěn)定性、高環(huán)境適應性以及優(yōu)異的機械穩(wěn)定性。PIMs固態(tài)電解質(zhì)的研發(fā)實現(xiàn)了固態(tài)鋰金屬電池和固態(tài)鋰?氧氣電池的高能量密度、高循環(huán)穩(wěn)定性和高安全性，為發(fā)展下一代低成本高安全的固態(tài)鋰電池技術提供了新思路和關鍵材料。該工作發(fā)表在國際權威期刊Angew. Chem. Int. Ed.2023, 62, e202308837上，吉林大學鼎新學者王曉雪博士為論文第一作者，徐吉靜教授為通訊作者。論文詳情：Xiao-Xue Wang, Li-Na Song, Li-Jun Zheng, De-Hui Guan, Cheng-Lin Miao, Jia-Xin Li, Jian-You Li, and Ji-Jing Xu*, Polymers of intrinsic microporosity solid ion conductors for solid-state lithium batteries,Angew. Chem. Int. Ed., 2023, 62, e202308837.全文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202308837。5.Angew. Chem. Int. Ed.：POM固態(tài)電解質(zhì)助力全固態(tài)鋰電池技術
采用固態(tài)正極、固態(tài)電解質(zhì)和金屬鋰負極的下一代固態(tài)鋰電池因其兼具高能量密度和高安全性的優(yōu)勢而引起了廣泛關注。要實現(xiàn)鋰金屬負極的可逆和安全運行，需要克服一系列潛在問題，包括電鍍和剝離過程中的鋰枝晶生長以及不穩(wěn)定的負極/電解質(zhì)界面。為了解決這些問題，迫切需要開發(fā)具有寬電化學窗口和高機械強度的固態(tài)電解質(zhì)，它不僅能使鋰離子通量均勻化，還能保持穩(wěn)定的負極/電解質(zhì)界面。此外，制造高負載固態(tài)正極以及實現(xiàn)固態(tài)正極/電解質(zhì)界面之間的良好界面接觸對于提高固態(tài)電池性能也至關重要?；诖?，該工作開發(fā)了一種基于Keggin離散結(jié)構的多金屬氧酸鹽Li3PW12O40（POM）固態(tài)電解質(zhì)新材料，揭示了Keggin骨架中離子輸運機制，并構筑了高安全長壽命的固態(tài)鋰金屬電池和固態(tài)鋰?氧氣電池。得益于相鄰[PW12]晶格的孤立骨架圍成了大量的三維通道（內(nèi)徑為5.2 ?），為鋰離子傳導提供了豐富的角共享氧位點，POM固態(tài)電解質(zhì)展現(xiàn)出8.9×10?4S cm?1的高離子電導率、0.23 eV的低活化能、高化學/電化學穩(wěn)定性以及良好的可塑性，同時具備合成高效、加工方便、可回收、價格經(jīng)濟等規(guī)?；a(chǎn)所需的條件。基于POM固態(tài)電解質(zhì)的固態(tài)鋰?空氣電池和固態(tài)鋰金屬電池均展示出高倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。該工作開發(fā)的POM材料突破了現(xiàn)有固態(tài)電解質(zhì)高電導率和高穩(wěn)定性不可同時兼得的局面，為發(fā)展下一代低成本高安全的固態(tài)鋰電池技術提供了新思路和新觀點。該工作發(fā)表在國際權威期刊Angew. Chem. Int. Ed.2024, 63, e202317949上，吉林大學博士生管德慧為論文第一作者，徐吉靜教授為通訊作者。論文詳情：De-Hui Guan, Xiao-Xue Wang, Li-Na Song, Cheng-Lin Miao, Jian-You Li, Xin-Yuan Yuan, Xin-Yue Ma, and Ji-Jing Xu*, Polyoxometalate Li3PW12O40and Li3PMo12O40Electrolytes for High-energy All-solid-state Lithium Batteries,Angew. Chem. Int. Ed., 2024, 63, e202317949.全文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202317949。6.Angew. Chem. Int. Ed.：構筑自應力輔助鋰?氧氣電池新體系
該課題組前期研究證明，光場輔助、磁場輔助、熱場輔助策略均是一種降低鋰?氧氣電池過電位的可行方法，可以有效提升電極反應動力學，從而提高電池的能量轉(zhuǎn)化效率、倍率性能和循環(huán)壽命。然而，由于需要光能、磁能、熱能的參與，光/磁/熱輔助鋰?氧氣電池的應用場景相應地受到了限制。因此，開發(fā)一種節(jié)能環(huán)保、非接觸的力場輔助的鋰?氧氣電池系統(tǒng)，利用電池自身內(nèi)應力提升電極反應動力學，有望成為提升金屬?空氣電池性能的更經(jīng)濟、更簡潔的策略?；诖?，該工作制備了一種具有壓電效應的空氣正極材料，利用鋰?氧氣電池固體放電產(chǎn)物生長和分解過程中產(chǎn)生的電池內(nèi)應力作為微觀壓力源，誘導空氣正極中壓電材料的壓電效應以促進電極反應動力學，構筑了具有高能量轉(zhuǎn)化效率和長壽命的力場輔助鋰?氧氣電池新體系。電池內(nèi)應力誘導的壓電勢能夠調(diào)節(jié)能帶結(jié)構，驅(qū)動載流子的分離和輸運，增強Li+的傳質(zhì)，有效降低反應勢壘，顯著提高電池性能。所組裝的鋰?空氣電池展現(xiàn)出18438 mAh g?1的放電容量和2200h的長循環(huán)壽命；在1000 mA g?1的電流密度下，放電電位可以保持在2.7 V，證明了其優(yōu)異的倍率性能。該工作提出的無附加能量的內(nèi)應力輔助方法，有望成為提升金屬?空氣電池綜合性能的新策略，對推動金屬?空氣電池的實用化發(fā)展具有重要的科學意義。該工作發(fā)表在國際權威期刊Angew. Chem. Int. Ed.2023, 62, e202311739上，吉林大學鄭麗君博士為論文第一作者，徐吉靜教授為通訊作者。論文詳情：Li-Jun Zheng, Li-Na Song, Xiao-Xue Wang, Shuang Liang, Huan-Feng Wang, Xing-Yuan Du, and Ji-Jing Xu*, Intrinsic Stress-strain in Barium Titanate Piezocatalysts Enabling Lithium?Oxygen Batteries with Low Overpotential and Long Life,Angew. Chem. Int. Ed., 2023, 62, e202311739.全文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202311739。7.Angew. Chem. Int. Ed.：構筑光輔助鋰?氮氣電池新體系
開發(fā)更高效、更環(huán)保的N2固定技術已成為一項艱巨的挑戰(zhàn)。鋰?氮氣電池因其集氮氣固定、能量儲存和轉(zhuǎn)換于一體而受到廣泛關注。然而，由于空氣正極催化劑活性低、穩(wěn)定性差，導致鋰?氮氣電池的電化學性能不理想，電化學可逆性很少得到證實。本課題組前期研究證明，光輔助策略是一種降低鋰?氧氣電池、鋰?二氧化碳電池和鋅?空氣電池等金屬?空氣電池過電位的有效方法。如果在鋰?氮氣電池中實現(xiàn)光催化氮氣還原和和析出反應，即N2分子在正極活性位點上被有效化學吸附，N≡N鍵可以很容易地被光生電子削弱和激活，則可以大幅提升鋰?氮氣電池的反應動力學?；诖?，該工作采用等離子體金納米粒子（Au NPs）修飾的缺陷氮化碳（Au-Nv-C3N4）光電正極，構筑了一種新型雙功能光輔助鋰?氮氣電池新體系。Nv-C3N4不僅可以作為支撐等離子體Au NPs的基體，還可以在表面提供大量的Nv作為N2化學吸附和活化的位點。由于表面等離子體共振效應（SPR），Au NPs能夠吸收可見光產(chǎn)生高能光生電子。當Au NPs與Nv-C3N4接觸時，在界面處形成肖特基勢壘，肖特基異質(zhì)結(jié)內(nèi)嵌的電場和SPR誘導的電磁場有利于光生載流子的分離。同時，Au-Nv-C3N4中的Nv可以捕獲Nv-C3N4中的光電子和Au NPs中的熱電子進行N2還原反應。在Nv-C3N4和Au NPs的協(xié)同作用下，光輔助鋰?氮氣電池具有56.2%的超高能量轉(zhuǎn)化效率，優(yōu)異的倍率性能和500 h的長循環(huán)壽命。通過理論和實驗的結(jié)合，證明了光輔助鋰?氮氣電池是一種高可逆的二次電池體系。本研究為鋰?氮氣電池高活性陰極催化劑的合理設計提供了新的思路，對開發(fā)高性能鋰?氮氣電池具有重要的參考意義。該工作發(fā)表在國際權威期刊Angew. Chem. Int. Ed.2024,e202319211上，吉林大學博士生李建憂為論文第一作者，徐吉靜教授為通訊作者。論文詳情：Jian-You Li, Xing-Yuan Du, Xiao-Xue Wang, Xin-Yuan Yuan, De-Hui Guan, and Ji-Jing Xu*, Photo-Assisted Li-N2Batteries with Enhanced Nitrogen Fixation and Energy Conversion,Angew. Chem. Int. Ed., 2024,e202319211.全文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202319211。8.Angew. Chem. Int. Ed.：構筑基于草酸鋰循環(huán)的鋰?二氧化碳電池新體系
鋰?二氧化碳電池因其儲能能力和二氧化碳利用的雙重優(yōu)勢而成為一個新的研究熱點，然而該電池的發(fā)展仍然受到與固體放電產(chǎn)物Li2CO3相關的一些內(nèi)在障礙。首先，具有寬禁帶的絕緣Li2CO3在放電過程中容易積累，導致正極鈍化。其次，循環(huán)過程中固態(tài)Li2CO3與氣態(tài)CO2相變緩慢，導致過電位高、能效差。第三，循環(huán)過程中嚴重的副反應會產(chǎn)生高活性的O2或1O2，它們會在隨后的循環(huán)中參與反應，從而影響電池的壽命。如何有效避免固體放電產(chǎn)物Li2CO3對充放電過程的影響，是鋰?二氧化碳電池發(fā)展面臨的重要科學難題?；诖?，該工作開發(fā)了一種“三位一體”策略，即通過CO2、可溶性氧化還原介質(zhì)TEM RM和還原氧化石墨烯（rGO）電極之間的協(xié)同作用，在鋰?二氧化碳電池中實現(xiàn)了CO2和草酸鋰（Li2C2O4）之間的可逆轉(zhuǎn)化。實驗結(jié)果和相關理論計算表明，放電過程中電解液中TEM捕獲CO2形成TEM-CO2分子；新分子在rGO電極表面接收電子，實現(xiàn)CO2選擇性轉(zhuǎn)化為Li2C2O4?！叭灰惑w”鋰?二氧化碳電池系統(tǒng)展現(xiàn)出0.16 V的超低過電位，能量效率高達98.06%。更重要的是，各種光譜表征和電化學測試均表明電池循環(huán)是由CO2/Li2C2O4可逆轉(zhuǎn)換控制的。這種獨特的設計有效解決了經(jīng)典放電產(chǎn)物碳酸鋰相關的副反應，為開發(fā)高性能、可實用化的鋰?二氧化碳電池提供了新的解決方案。該工作發(fā)表在國際權威期刊Angew. Chem. Int. Ed.2024,e202400132上，吉林大學博士生汪逸峰為論文第一作者，徐吉靜教授為通訊作者。論文詳情：Yi-Feng Wang, Li-Na Song, Li-Jun Zheng, Yue Wang, Jia-Yi Wu, and Ji-Jing Xu*, Reversible Carbon Dioxide/Lithium Oxalate Regulation toward Advanced Aprotic Lithium Carbon Dioxide Battery,Angew. Chem. Int. Ed., 2024,e202400132.全文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202400132。9.Adv. Mater.：多孔分子固體電解質(zhì)助力全固態(tài)鋰?氧氣電池技術
鋰?氧氣電池由于其較高的理論能量密度而引起了廣泛的關注。然而，鋰?氧氣電池中常用的有機電解液的易燃性和揮發(fā)性會導致電池燃燒爆炸的危險。鋰枝晶的生長和劇烈體積膨脹會嚴重破壞電池結(jié)構，造成電池失效和安全隱患。用固態(tài)電解質(zhì)代替有機電解液制備穩(wěn)定、安全的固態(tài)鋰?氧氣電池是克服以上難題的理想策略。然而，在室溫下具有高離子電導率、高鋰離子轉(zhuǎn)移數(shù)和高空氣穩(wěn)定性的固態(tài)電解質(zhì)的缺乏嚴重阻礙了固態(tài)鋰?氧氣電池的發(fā)展?；诖?，該工作開發(fā)了一種具有一維離子遷移通道的有機分子多孔固體CB[7]作為固態(tài)鋰?氧氣電池的固態(tài)電解質(zhì)，并構筑了高安全全固態(tài)鋰?氧氣電池。利用Li+導電的一維離子遷移通道，非共價相互作用有利于陰離子的固定，CB[7]固態(tài)電解質(zhì)展現(xiàn)出高達2.45×10?4S cm?1的離子電導率和0.81的Li+遷移數(shù)。同時，CB[7]固態(tài)電解質(zhì)還顯示出0～4.65 V的寬電化學穩(wěn)定窗口和較高的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性，并實現(xiàn)穩(wěn)定的Li+電鍍/剝離，鋰對稱電池在0.3 mA cm?2的電流密度下循環(huán)超過1000 h。CB[7]固態(tài)電解質(zhì)以上優(yōu)勢賦予固態(tài)鋰?氧氣電池優(yōu)異的倍率能力和長達500 h的充放電穩(wěn)定循環(huán)。該工作驗證了多孔分子固體材料作為固態(tài)電解質(zhì)的可行性，為發(fā)展下一代高穩(wěn)定性的固態(tài)鋰電池提供了新視角和新材料。該工作發(fā)表在國際權威期刊Adv. Mater.2024, 2312661上，吉林大學博士生李佳欣為論文第一作者，徐吉靜教授為通訊作者。論文詳情：Jia-Xin Li, De-Hui Guan, Xiao-Xue Wang, Cheng-Lin Miao, Jian-You Li, and Ji-Jing Xu*, Highly Stable Organic Molecular Porous Solid Electrolyte with One-Dimensional Ion Migration Channel for Solid-State Lithium?Oxygen Battery,Adv. Mater., 2024, 2312661.全文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202312661。10.Adv. Mater.：結(jié)構工程加速光輔助金屬?空氣電池中的限域傳質(zhì)
為了滿足各種便攜式設備對新型高比能電池的設計要求，金屬?空氣電池因其較高的理論比能而受到廣泛關注。但在電池的實際運行中，空氣正極相對緩慢的動態(tài)反應過程成為制約其發(fā)展的障礙。太陽能作為伴隨可持續(xù)發(fā)展的能源之一，具有環(huán)保、安全、不受運輸和儲存的限制等特點。將太陽能應用于金屬?空氣電池是實現(xiàn)綠色和可持續(xù)發(fā)展的有效策略，然而，光輔助金屬?空氣電池的發(fā)展仍然面臨著光電正極上光生電子和空穴快速重組和載流子壽命短的挑戰(zhàn)?；诖?，該工作利用化學氣相沉積方法將納米MoS2均勻沉積在商業(yè)多孔陽極氧化鋁膜內(nèi)，獲得有序均勻的一維MoS2納米管材料（MoS2-ONT）用作光正極，構筑了高性能光輔助金屬?空氣電池，揭示了MoS2半導體的一維限域通道中載流子快速分離動力學機制。相比于抑制光催化劑中載流子快速復合的經(jīng)典解決策略，該工作所制備的MoS2管狀限域空間可以實現(xiàn)更高效的載流子分離，延長載流子壽命。同時，有序的管狀限域空間可以實現(xiàn)電荷、離子和氧氣的同時快速轉(zhuǎn)移，提升電池反應動力學。基于MoS2-ONT組裝的光輔助鋅?空氣電池表現(xiàn)出70 mW cm?2的高功率密度，是迄今為止報道的最高值。將其組裝到光輔助鋰?氧氣電池中也展現(xiàn)出高倍率性能和低充放電過電位，驗證了受限載流子分離策略在光輔助金屬?空氣電池中的普適性，為發(fā)展下一代低成本高性能的光輔助儲能技術提供了新視角和新材料。該工作發(fā)表在國際權威期刊Adv. Mater.2023, 2307790上，吉林大學碩士生李佳欣為論文第一作者，徐吉靜教授為通訊作者。論文詳情：Shuang Liang, Li-Jun Zheng, Li-Na Song, Xiao-Xue Wang, Wen-Bin Tu, and Ji-Jing Xu*, Accelerated Confined Mass Transfer of MoS21d Nanotube in Photo-Assisted Metal?Air Batteries, Adv. Mater., 2023, 2307790.全文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202307790。11.Chem：基于COF固態(tài)電解質(zhì)的全固態(tài)鋰?氧氣電池
固態(tài)鋰電池由于具有較好的安全性和高能量密度而受到廣泛關注，尤其是在現(xiàn)有的電池體系中具有最高理論能量密度的固態(tài)鋰?氧氣電池，有望在下一代儲能設備中發(fā)揮重要作用。但是，高性能固態(tài)電解質(zhì)材料的缺乏、高催化活性固態(tài)正極的設計復雜性以及固態(tài)電解質(zhì)\電極界面構筑困難限制了其快速發(fā)展。因此，為固態(tài)鋰?氧氣電池尋求一種同時具有高離子電導率、高界面相容性和高化學穩(wěn)定性的新型固態(tài)電解質(zhì)至關重要?；诖耍摴ぷ鏖_發(fā)了一種用于構筑高安全固態(tài)鋰?氧氣電池和固態(tài)鋰金屬電池的新型三維共價有機框架（COF）固態(tài)電解質(zhì)材料，并揭示了鋰離子在材料骨架中的輸運機制。該COF固態(tài)電解質(zhì)由于豐富的離子傳輸通道、獨特的骨架柔性和較小的界面?zhèn)鬏斪杩梗宫F(xiàn)出高達2.7 × 10?3S cm?1的離子傳導率、0.18 eV的低活化能和優(yōu)異的電化學穩(wěn)定性。利用COF的骨架柔性，成功構建了具有電子、離子連續(xù)傳輸通道的正極材料。得益于電解質(zhì)和電極低阻抗傳輸界面，使用COF電解質(zhì)組裝的固態(tài)鋰?氧氣電池展現(xiàn)出9340 mAh g?1的高比容量和100次的長循環(huán)壽命，遠優(yōu)于基于商用的PEO和LAGP固態(tài)電解質(zhì)的固態(tài)鋰?氧氣電池（38次和50次）。同時，COF電解質(zhì)組裝的固態(tài)鋰金屬電池也展現(xiàn)出優(yōu)異的倍率性能和循環(huán)性能，在2 C的電流密度下，放電比容量依然可以達到125.1 mAh g?1。該工作展示了COFs作為新型鋰離子導體在下一代固態(tài)儲能器件中巨大的應用潛力，為未來固態(tài)電解質(zhì)材料設計和固態(tài)電池技術發(fā)展提供了新思路。該工作發(fā)表在國際權威期刊Chem2023, 9, 394–410上，吉林大學鼎新學者王曉雪博士為論文第一作者，徐吉靜教授為通訊作者。論文詳情：Xiao-Xue Wang, Xi-Wen Chi, Ma-Lin Li, De-Hui Guan, Cheng-Lin Miao, and Ji-Jing Xu*, An integrated solid-state lithium-oxygen battery with highly stable anionic covalent organic frameworks electrolyte,Chem, 2023, 9, 394–410.全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.chempr.2022.09.027。12.Matter：表面功能化自支撐分子篩隔膜構筑超高容量鋰?氧氣電池
鋰?氧氣電池發(fā)展面臨的主要挑戰(zhàn)是正極上不規(guī)則堆積的絕緣性放電產(chǎn)物Li2O2堵塞氧氣、離子和電子的傳質(zhì)通道，最終限制了電池的比容量。為了使正極能夠容納更多的放電產(chǎn)物，提高實際的放電容量，眾多研究人員將重點放在了正極材料的微觀結(jié)構設計和電解液添加劑上，以調(diào)節(jié)Li2O2的生長行為和形貌，實現(xiàn)大功率放電下的高容量。然而，在正極表面堆積的過多的放電產(chǎn)物會導致過高的充電過電位，進而導致電池能量效率低和循環(huán)性能差。因此，如何保證放電產(chǎn)物數(shù)量的同時，又不產(chǎn)生對正極鈍化的負面影響，是一個看似矛盾但又亟需解決的難題。基于此，該工作受生物礦物組織自組裝的啟發(fā)，采用前驅(qū)體支架-固相結(jié)晶方法，成功開發(fā)了一種具有定制化表面的、三維網(wǎng)絡微米管結(jié)構的分子篩隔膜。該隔膜得益于分子篩中豐富的埃級孔道和微米管無紡布結(jié)構形成的有序離子輸運通道，展現(xiàn)出高達2.2 × 10?2S cm?1的離子傳導率。特別是，分子篩隔膜可以結(jié)合捕獲和轉(zhuǎn)化放電中間體兩個步驟，從而將放電反應區(qū)域由空氣正極拓展至隔膜，大幅提高了鋰?氧氣電池的放電容量。此外，隔膜優(yōu)異的熱穩(wěn)定性可有效防止電池短路而引起的著火和爆炸，提升了電池的安全性?；谠摳裟さ匿?氧氣電池的放電容量高達25100 mAh g?1的超高放電容量、4000次的超長循環(huán)壽命和良好的安全性，展示出其在未來儲能電池領域廣闊的應用前景。該工作發(fā)表在國際權威期刊Matter2023, 6, 142–157.上，吉林大學鄭麗君博士為論文第一作者，徐吉靜教授為通訊作者。論文詳情：Li-Jun Zheng, Pu Bai, Wen-Fu Yan, Fei Li, Xiao-Xue Wang, and Ji-Jing Xu*, In situ construction of glass-fiber-directed zeolite microtube woven separator for ultra-high-capacity lithium-oxygen batteries,Matter, 2023, 6, 142–157.全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.matt.2022.10.013。13.Adv. Energy Mater.：玻璃態(tài)MOF構筑高穩(wěn)定全固態(tài)鋰?氧氣電池
鋰?氧氣電池的發(fā)展面臨著多種挑戰(zhàn)，特別是有機液態(tài)電解質(zhì)的使用引起的電解質(zhì)分解和安全問題。開發(fā)具有更高的安全性和更高理論能量密度的固態(tài)鋰?氧氣電池成為了該領域重要的發(fā)展方向。固態(tài)鋰?氧氣電池還處在研究的初級階段，電池的綜合性能還有待提升。要構筑高性能固態(tài)鋰?氧氣電池，需要構建高離子導電性固態(tài)電解質(zhì)、多功能固態(tài)正極和穩(wěn)定的電解質(zhì)/電極界面，從本質(zhì)上提高固態(tài)鋰?氧氣電池的綜合性能?；诖?，該工作開發(fā)了一種基于無晶界金屬有機框架玻璃ZIF-62的固態(tài)電解質(zhì)和多功能固態(tài)空氣正極，構筑了高度穩(wěn)定的固態(tài)鋰?氧氣電池。ZIF-62的結(jié)構類似于經(jīng)典的二氧化硅的連續(xù)隨機網(wǎng)絡模型，在固液轉(zhuǎn)變過程中雖然ZIF-62玻璃發(fā)生了結(jié)構重構，但結(jié)晶ZIF-62的短程有序結(jié)構仍然得到很好的保持，短程有序結(jié)構可以確保原子或分子單元在有限距離內(nèi)的一致且可預測的排列，從而為鋰離子的順利遷移創(chuàng)造豐富的路徑。基于以上結(jié)構特點，ZIF-62玻璃單晶的離子電導率可達7.5×10?3S cm?1，這與豐富的相鄰傳導位點之間的短程有序通道緊密相關。基于該固態(tài)電解質(zhì)的固態(tài)鋰?氧氣電池展現(xiàn)出13552 mAh g?1的高放電比容量和400次循環(huán)的長循環(huán)壽命。該類固態(tài)電解質(zhì)的開發(fā)和電池集成方法有助于加速固態(tài)鋰?氧氣電池及固態(tài)電解質(zhì)的發(fā)展及實際應用。該工作發(fā)表在國際權威期刊Adv. Energy Mater.2023, 14, 2303829上，吉林大學鼎新學者王曉雪博士為論文第一作者，徐吉靜教授為通訊作者。論文詳情：Xiao-Xue Wang, De-Hui Guan, Cheng-Lin Miao, Jia-Xin Li, Jian-You Li, Xin-Yuan Yuan, Xin-Yue Ma, and Ji-Jing Xu*, Boundary-free Metal–Organic Framework Glasses Enable Highly Stable All-Solid-State Lithium–Oxygen Battery,Adv. Energy Mater., 2024, 14, 2303829.全文鏈接：https://doi.org/10.1002/aenm.202303829。14.Adv. Energy Mater.：構筑力場輔助鋰?氧氣/二氧化碳電池新體系
利用綠色可再生太陽能改善鋰?氧氣電池中氧還原和氧析出反應動力學被認為是有前景的選擇。在該電池體系中，正極上產(chǎn)生的光生電子和空穴可分別增強充放電反應中放電產(chǎn)物的生成和分解動力學，有效降低電池的過電位。然而，光正極中光電子和空穴的快速復合仍然是光輔助鋰?氧氣電池面臨的關鍵難題，限制了其進一步發(fā)展。因此，開發(fā)其他非接觸、環(huán)境友好的外場輔助策略提升正極反應動力學是十分必要的，且具有很大的挑戰(zhàn)。基于此，該工作制備了MoS2/Pd納米復合材料用作空氣正極壓電催化劑，構筑了力場輔助鋰?氧氣電池新體系。在超聲激活下，壓電催化劑中形成壓電極化和內(nèi)置電場，導致電子和空穴連續(xù)分離，提高了氧還原和氧析出反應動力學。此外，Pd的引入促進了電子的轉(zhuǎn)移，進一步抑制了電子-空穴對的復合，從而增強了放電產(chǎn)物分解/生成的催化活性，降低了放電/充電過電位?；贛oS2/Pd力場輔助鋰?氧氣電池展示出2.86 V的超低充電平臺和2.77 V的高放電平臺。同時，該工作也證明了所提出的力輔助策略可以通過有效地還原和分解CO2和CO32-而應用于鋰?二氧化碳電池系統(tǒng)，體現(xiàn)了力輔助策略在金屬?空氣電池中的普適性。該工作所提出的力場輔助策略為實現(xiàn)金屬-空氣電池的高效能量轉(zhuǎn)換提供了重要的見解。該工作發(fā)表在國際權威期刊Adv. Energy Mater.2023, 2303215上，長春理工大學博士生田松林為為論文第一作者，徐吉靜教授為共同通訊作者。論文詳情：Song-Lin Tian, Li-Na Song, Li-Min Chang, Wan-Qiang Liu*, Huan-Feng Wang*, and Ji-Jing Xu*, A Forced-Assisted Li?O2Battery Based on Piezoelectric Catalysis and Band Bending of MoS2/Pd Cathode,Adv. Energy Mater., 2023, 2303215.全文鏈接：https://doi.org/10.1002/aenm.202303215。15.Adv. Funct. Mater.：納米工程纖維素離子導體助力全固態(tài)鋅離子電池
由于鋅負極具有高安全、存儲容量大、成本低、理論容量高（820 mAh g?1）等優(yōu)點，水系鋅離子電池得到了廣泛的關注。然而，由于鋅金屬的負還原電位高于氫（與標準氫電極相比為- 0.76 V），鋅負極在液體電解質(zhì)中表現(xiàn)出熱力學敏感性，導致不可避免的副反應，如鋅枝晶生長和析氫反應，嚴重阻礙了其實際應用。基于此，該工作通過一種簡單的方法制備了一種納米工程功能化Zn2+配位羧酸纖維素（Zn-CCNF@XG）)，并用作固態(tài)鋅離子導體構筑了固態(tài)鋅離子電池。根據(jù)解離能實驗和密度泛函理論計算結(jié)果，?COOH顯著降低了解離能，這有利于Zn2+在Zn-CCNF@XG中的脫配和快速離子跳變，從而獲得較高的離子電導率和轉(zhuǎn)移數(shù)。更重要的是，工程分子通道有利于擴大納米纖維鏈之間的距離，為Zn2+的運動提供更大的空間。由于Zn2+與?OH在羧酸纖維素納米原纖維中的配位作用，Zn-CCNF@XG展現(xiàn)出高達1.17×10?4S cm?1的離子導電性能，鋰離子遷移數(shù)為0.78?；赯n-CCNF@XG的Zn||NaV3O8·1.5H2O鋅離子全電池在1 A g?1的電流密度下穩(wěn)定循環(huán)3000次后容量保持率為83.46%，庫侖效率為99.99%。通過在纖維素納米原纖維中引入官能團，有效地避免了鋅枝晶和析氫反應，為鋅離子電池的實際應用提供了有價值的指導。該工作發(fā)表在國際權威期刊Adv. Funct. Mater.2024, 2316137上，吉林大學碩士生涂文彬為論文第一作者，徐吉靜教授為共同通訊作者。論文詳情：Wen-Bin Tu, Shuang Liang, Li-Na Song, Xiao-Xue Wang, Gui-Juan Ji*, and Ji-Jing Xu*, Nanoengineered Functional Cellulose Ionic Conductor Toward High-Performance All-Solid-State Zinc-Ion Battery,Adv. Funct. Mater., 2024, 2316137.全文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202316137。16.Adv. Funct. Mater.：定向修飾MOF固態(tài)電解質(zhì)用于固態(tài)鋰?氧氣電池
具有定向和有序通道的金屬有機框架（MOF）被認為是理想的固態(tài)鋰離子導體，有望用于固態(tài)鋰?氧氣電池中，以實現(xiàn)電池更高能量密度和更高安全性。然而，MOF材料在鋰?氧氣電池中對空氣成分和鋰金屬負極的不穩(wěn)定性，成為制約MOF材料在電池中應用的關鍵科學問題。基于此，該工作通過在UiO-66骨架中加入帶正電的-N+(CH3)3官能團，設計了帶正電的MOF（CMOF）作為先進的鋰離子導體，并構筑了固態(tài)鋰?氧氣電池。-N+(CH3)3官能團氨基中包含的孤對電子可以與Li+相互作用，有助于調(diào)節(jié)Li+的均勻分布，加速Li+的選擇性輸運?；谠摻Y(jié)構特點，CMOF室溫下Li+電導率高達6.45×10?4S cm?1，活化能為0.15 eV，轉(zhuǎn)移數(shù)為0.59。CMOF的電子電導率低至3.54×10?10S cm?1，可有效避免內(nèi)部鋰枝晶的產(chǎn)生，改善電池的安全性。更重要的是，CMOF具有較高的阻燃性、對H2O和O2?高化學穩(wěn)定性，這些都是影響固態(tài)鋰?氧氣電池性能的關鍵因素。這種性能優(yōu)異的定向修飾MOF固態(tài)電解質(zhì)組裝的固態(tài)鋰?氧氣電池循環(huán)長達790小時，過電位低至1.09 V。此外，通過修飾有機配體上帶負電的-SO3?基團，制備表面帶負電的陰離子MOF（AMOF），也可以提高其鋰離子傳導能力，體現(xiàn)了基團修飾在提升MOF材料離子導電性方面的普適性。該工作所提出的新型定向改性策略對開發(fā)下一代高性能固態(tài)鋰電池具有重要意義。該工作發(fā)表在國際權威期刊Adv. Funct. Mater.2023, 34,2307150上，吉林大學博士生苗成林為論文第一作者，徐吉靜教授為共同通訊作者。論文詳情：Cheng-Lin Miao, Xiao-Xue Wang, De-Hui Guan, Jia-Xin Li, Huan-Feng Wang*, and Ji-Jing Xu*, Directional Modification-Functionalized Metal–Organic Framework Solid-State Electrolytes for Highly Stable Li–O2Batteries,Adv. Funct. Mater., 2024, 34, 2307150.全文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202307150。17.ACS Energy Lett.：基于可溶性草酸鹽的高可逆鋰?二氧化碳電池
鋰?二氧化碳電池是一種集儲能和固定二氧化碳于一體的電池，有望成為碳中和應用的一種有前景的技術。然而，固體放電產(chǎn)物Li2CO3由于其熱力學穩(wěn)定性和電子絕緣性而導致電化學分解動力學緩慢，特別是固體Li2CO3對陰極的鈍化和結(jié)構破壞是制約鋰?二氧化碳電池實際應用的主要挑戰(zhàn)。為了解決這一難題，該工作通過引入一種高極性二甲基亞砜電解質(zhì)調(diào)節(jié)Li離子的溶劑化鞘層，實現(xiàn)了基于可溶且易分解放電產(chǎn)物C2O42?循環(huán)的鋰?二氧化碳電池。實驗結(jié)果和相關理論計算表明，Li離子與電解質(zhì)分子相互作用的增加可以誘導穩(wěn)定的C2O42?形成，同時抑制CO2在陰極表面直接還原為固體Li2CO3。該電池具有0.65 V的低充放電過電位和優(yōu)異的循環(huán)可逆性，在電流密度為25 μA cm?2且無需額外催化劑的情況下循環(huán)超過260 h?？扇蹸2O42?有效地解決了固體放電產(chǎn)物對鋰?二氧化碳電池空氣正極造成鈍化和結(jié)構破壞的難題，為非水金屬?空氣電池的研究提供了新思路和解決方案。該工作發(fā)表在國際權威期刊ACS Energy Lett.2023, 8, 1026–1034上，吉林大學博士生汪逸峰為論文第一作者，徐吉靜教授為通訊作者。論文詳情：Yi-Feng Wang, Gui-Juan Ji, Li-Na Song, Xiao-Xue Wang, and Ji-Jing Xu*, A Highly Reversible Lithium–Carbon Dioxide Battery Based on Soluble Oxalate,ACS Energy Lett., 2023, 8, 1026–1034.全文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsenergylett.2c02558。18.Energy Storage Mater.：調(diào)控鋰?氧氣電池反應動力學和產(chǎn)物選擇性
在過去的20年里，大量的研究已經(jīng)提出了負載型催化劑和氧化還原介質(zhì)在鋰?氧氣電池中可能的ORR機制。然而，在許多科學問題上，如活性中心的識別、催化活性位點的動態(tài)演化以及相關的關鍵反應中間體等，尚未達成一致認識。這些問題極大地阻礙了在原子水平上對鋰?氧氣電池充放電機理的理解，也阻礙了鋰?氧氣電池高效電催化劑的進一步合理設計。因此，構建能夠在原子水平上深入理解催化機理的催化劑體系是解決以上科學問題的重要基礎。該工作基于所設計的具有均勻隔離活性中心的鈷單原子催化劑模型，通過多尺度的結(jié)構和成分測試，首次在原子水平上深入識別了近自由活性中心的結(jié)構動態(tài)演化和鋰?氧氣電池電化學的復雜反應路徑。研究發(fā)現(xiàn)，近自由的Co位點（Co1-N3）傾向于從氮碳基質(zhì)中動態(tài)釋放，然后形成更自由的O*-Co1-N2位點，有利于放電過程中氧還原反應的關鍵中間體*O的表面吸附和活化。更有趣的是，近自由Co與Li2O2的（100）晶面存在更好的晶格匹配，形成易于分解的單取向片狀Li2O2，具有更高的電子傳遞能力和較弱的*LiO2結(jié)合能，從而提高了充電過程中氧析出反應的動力學。本研究將單原子催化劑模型與多種測試技術相結(jié)合，為揭示金屬?空氣電池三相邊界的重要動態(tài)演化步驟和反應機理提供了新平臺。該工作發(fā)表在國際權威期刊Energy Storage Mater.2023, 56, 331–341上，吉林大學鄭麗君博士為論文第一作者，徐吉靜教授為共同通訊作者。論文詳情：Li-Jun Zheng, Yan Yan, Xiao-Xue Wang, Li-Na Song, Huan-Feng Wang* and Ji-Jing Xu*, Regulating electrochemistry kinetics and discharge product selectivity with near-free cobalt single-atom catalyst in Li?O2batteries,Energy Storage Mater., 2023, 56, 331–341.全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2023.01.024。課題組網(wǎng)站：https://synlab.jlu.edu.cn/2013/11/3574.html課題組擁有完善的科研條件和輕松愉悅的科研環(huán)境，現(xiàn)有博士后2名，博士生9名，碩士生9名。歡迎青年才俊以任何形式加入課題組！課題組長期招聘博士后研究人員，待遇豐厚，未來可期！課題組聯(lián)系方式：jijingxu@jlu.edu.cn
【徐吉靜教授簡介】
徐吉靜，教授、博士生導師、國家級青年人才?，F(xiàn)任職吉林大學，化學學院，無機合成與制備化學國家重點實驗室，未來科學國際合作聯(lián)合實驗室。主要從事先進儲能材料與器件領域的基礎研究和技術開發(fā)工作，特別是在固態(tài)電池和金屬?空氣電池領域取得多項原創(chuàng)性成果。研究成果在Nature (1)、Nat. Energy (1)、Nat. Commun. (3)、JACS (4)、Angew. Chem. Int. Ed. (6)、Adv. Mater. (8)、Chem (1)、Matter (1)、Energy Environ. Sci. (1)、Adv. Energy Mater. (3)、Adv. Funct. Mater. (3)、ACS Nano (2)、ACS Cent. Sci. (1)、ACS Energy Lett. (1)、Energy Storage Mater. (3)等國際著名學術期刊上發(fā)表論文70余篇，他引7600余次，10余篇入選ESI高被引論文；申請中國發(fā)明專利29項，獲授權專利10余項。研究成果受到了國內(nèi)外學者的關注和認可，被國際專業(yè)期刊多次評述報道，受邀在國際國內(nèi)會議上做大會報告、主題報告或邀請報告60余次。曾獲國家“萬人計劃”青年拔尖人才（2020年）、科睿唯安“全球高被引學者”（2019年）、吉林省拔尖創(chuàng)新人才（2019年）和吉林省青年科技獎（2018年）等獎勵或榮譽。承擔中組部青年項目、國家自然科學基金、吉林省科技發(fā)展計劃重點研發(fā)項目等14項科研課題。
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