一、杂原子掺杂碳的能量储存与转化机制

1.  Angew | 杂原子掺杂碳的超级电容起源

杂原子掺杂可有效提升水系碳基超级电容器材料的致密储能特性，但其储能机制一直饱受争议。课题组以前期发展的原位脱卤聚合技术（Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58,2397）制备的N,P,O-三重掺杂多孔碳为水系超级电容器模型电极材料，并与美国北德克萨斯大学Zhenhai Xia课题组合作提出了一种“基于杂原子掺杂的碱金属离子增强吸附抑制电化学析氢”的新机制，阐明了杂原子掺杂碳电极材料能够突破水分解电压窗口，实现致密储能的本质原因。这将为未来低成本、长寿命、高比能碳基超级电级电容器的设计、电容的提升及电化学窗口的优化提供重要的理论指导和实验依据。相关结果以“Origins of Boosted Charge Storage on Heteroatom-Doped Carbons”为题发表在《Angew. Chem. Int. Ed.》, 2020, 59, 7928-7933，DOI：10.1002/anie.202000319上。

2.  AFM | 杂原子掺杂碳的超电和氧还原双功能起源

无金属杂原子掺杂碳呈现有趣的超级电容储存和高效氧还原双功能特性，但其能源储存与转化的本质起源和电化学机制尚不清晰，课题组设计制备了多种富含氮、磷、硫等多重杂原子掺杂的多孔碳材料，该系列材料呈现优异的电容储存与氧还原双功能特性（如《Nano Energy》, 2018, 54, 192; Small, 2020, 16, 1906584）。进一步与美国北德克萨斯大学Zhenhai Xia课题组合作，通过实验对比和理论模拟，发现多重掺杂碳的超级电容与氧还原双功能特性可能起源于同一类活性位点——多孔碳的边缘缺陷，而多重杂原子的掺杂会进一步引发临近碳的正负电荷密度重新分布，实现临近碳中心的协同活化，促进超级电容储存与氧还原活性的同步提升。上述研究将为新的多功能碳基能源材料设计提供重要的理论指导和实验依据。相关结果以“Insights of Heteroatoms Doping‐Enhanced Bifunctionalities on Carbon Based Energy Storage and Conversion”为题发表在《Adv. Funct. Mater.》，2020. DOI: 10.1002/adfm.202009109上。

3.  iScience | 蜂窝状Co-Nx-C纳米多面体锌空电池双功能氧电催化剂

MOF衍生碳材料已被广泛应用于双功能氧电催化剂，然而其狭窄孔道的缓慢传质不能满足催化活性位点的高效利用。鉴于此，课题组与加拿大滑铁卢大学陈忠伟课题组合作构建了一种蜂窝状Co-Nx-C纳米多面体作为高效的MOF衍生碳基电催化剂，其内部交联的有序介孔结构有效地提高了传质效率，进而提升了活性位点的反应动力学。该工作为锌空电池双功能氧电催化剂的设计开辟了一条新的路径。该工作以“Deep-Breathing Honeycomb-like Co-Nx-C Nanopolyhedron Bifunctional Oxygen Electrocatalysts for Rechargeable Zn-Air Batteries”为题发表在《Cell》的子刊《iScience》, 2020, 23, 101404. DOI: 10.1016/j.isci.2020.101404上。

二、二次电池电极材料的微纳设计

1.  Energy Environ. Sci.| 钠电材料未来之星——钠过渡金属氧化物 

下一代钠离子电池（SIBs）的探索已成为世界范围内关注的课题，以取代当前的商用锂离子电池，从而减轻锂资源的日益消耗。钠过渡金属氧化物被认为是SIBs最有希望的正极材料之一。富锂的过渡金属氧化物除提供阳离子氧化还原活性外，还能够通过阴离子氧化还原反应提供额外的容量。在SIBs中存在类似的现象，甚至适用于贫钠的过渡金属氧化物。此外，具有混合相的钠过渡金属氧化物也显示出作为高容量钠离子电池正极材料的巨大潜力。课题组与澳大利亚伍伦贡大学侴术雷教授等合作。在国际顶级期刊《 Energy & Environmental Science》 （2020，DOI:10.1002/anie.202009738）上发表题为“Sodium transition metal oxides: the preferred cathode choice for future sodium-ion batteries?”的综述。该综述系统地介绍了有关阴离子氧化还原的研究，并将SIBs的高容量过渡金属氧化物正极材料的最新进展进行总结和分类归纳。同时，该工作还讨论了钠过渡金属氧化物正极材料发展面临的现有挑战以及可用的解决方案和策略，并提出了具有新见解的建议。

2. Angew| 中空多级孔CoP@C复合材料的储钠/储钾特性 

针对钠/钾离子电池充放电过程中钠/钾离子的脱出/嵌入产生体积变化大，导致不稳定问题，课题组与澳大利亚卧龙岗大学侴术雷教授等合作，发展了一种基于甘油诱导的无模板前驱体热解法，成功地制备出了一种具有蛋黄/蛋壳限域结构的CoP@C纳米复合材料。该空心球壳由CoP纳米颗粒组成，外部均匀包覆了一层超薄导电碳层。借助原位TEM、原位XRD技术可视化跟踪脱嵌钠过程，并结合DFT理论计算，阐明了充放电过程中材料结构的转变以及在充放电过程中磷化钴与钠/钾离子之间的氧化还原反应，相关结果以“Facile Synthesis of Hierarchical Hollow CoP@C Composites with Superior Performance for Sodium and Potassium Storage”为题，发表在《Angew. Chem. Int. Ed.》 2020, 59, 5159, DOI: 10.1002/anie.201913683。

3. Angew| 高镍层状氧化物正极材料中的缺陷辅助结构演变

LiNi1-x-yMnxCoyO2（NMC）层状化合物已成为锂离子电池的主要正极材料。目前，关于其在电化学循环过程中，由晶体缺陷引发性能降低的机理尚不完全清楚。鉴于此，课题组与滑铁卢大学陈忠伟教授、美国布鲁克海文国家实验室Dong Su研究员合作，报道了利用原位透射电子显微镜实时跟踪固态电池中富镍NMC正极的结构演变。实验和理论计算结果表明：（1）具有分离层状相的反相边界和孪晶界对相变起重要作用；（2）当锂耗尽时，反相边界在层状结构中延伸，同时在层状相中检测到锂/过渡金属离子的混合物，诱导形成沿着共格孪晶界生长的岩盐相；（3）过渡金属离子在平面缺陷处的低扩散势垒有助于锂/过渡金属离子的的混合和相变 (《Angew. Chem. Int. Ed.》, 2020, 59, 22092-22099.DOI:10.1002/anie.202008144)。

4. Angew| 径向向内排列的多级孔碳材料用于超长寿命锂硫电池 

为解决锂硫电池面容量低、寿命不足等缺点，课题组提出了一种中空碳球内部结构调控策略，设计合成了具有径向向内对齐的倒刺结构中空氮掺杂碳小球并表现出高容量和长循环稳定性。通过碳球内部硫分布表征、锂离子扩散系数测定、多硫离子吸附试验、循环前后硫正极结构变化、循环后锂负极枝晶形成剖析，揭示其固硫机制，阐明性能提升原因为碳球内部碳刺可有效分散绝缘硫和硫化锂、刺刺之间空隙和空心结构有效缓冲硫体积变化造成应变、氮原子掺杂碳层高效抑制多硫离子流失（《Angew. Chem. Int. Ed.》, 2020, 59, 2-8.DOI:10.1002/anie.201914972）。

5. Small | 液相注磷法助力锂离子电池负极材

为解决锂离子电池磷负极因红磷导电性差、体积膨胀严重等导致倍率性能与循环寿命不足等难题，课题组与德国伊尔梅瑙工业大学的雷勇教授合作，报道了一种新型限域红磷的可靠策略，在温和条件下成功地把多磷离子封装于ZIF-8衍生碳的多级孔内，创建了富磷的ZIF-8-C负极材料，实现了储锂性能的大幅提升。该方法有望发展成为一种环境友好的安全可控制备低成本、长寿命、高性能碱金属-磷电池负极材料的普适新策略（《Small》, 2020, 16, 1907141. DOI: 10.1002/smll.201907141）。