纳米人-崔屹Nature Energy，锂电池Nature Energy丨顶刊日报20230708

崔屹Nature Energy，锂电池Nature Energy丨顶刊日报20230708

纳米人纳米人 2023-07-14

1. Nature Energy：用于实用锂金属电池的高熵电解质

电解质工程对于提高电池性能至关重要，尤其是对于锂金属电池。通过增强电极界面的电化学稳定性可以大大提高电解质的可循环性，但同时实现高离子电导率仍极具挑战性。在这里，斯坦福大学崔屹报道了用于实用锂金属电池的高熵电解质。

本文要点：

1) 在弱溶剂化电解质中，作者发现熵效应减少了离子聚集，同时保留了富含阴离子的溶剂化结构，而这得到了基于同步加速器的X射线散射和分子动力学模拟的证实。

2) 与传统的弱溶剂化电解质相比，具有较小尺寸团簇的电解质在离子电导率方面得到了两倍的提高。此外，在无阳极LiNi_0.6Mn_0.2Co_0.2（NMC622）||Cu软包电池中，该电解质能在高达2C（6.2 mA cm⁻²）的高电流密度下稳定循环。该设计策略的有效性通过三种不同弱溶剂化电解质系统的性能改进得到了验证。

Sang Cheol Kim, et al. High-entropy electrolytes for practical lithium metal batteries. Nature Energy 2023

DOI: 10.1038/s41560-023-01280-1

https://doi.org/10.1038/s41560-023-01280-1

2. Nature Energy：具有可忽略电压衰减的富锂层状氧化物正极

具有高容量、低成本的富锂和锰（LMR）的层状氧化物是下一代锂离子电池的有效正极。然而，不稳定的Li₂MnO₃蜂窝结构使其在循环过程中具有大量电压衰减，从而阻碍其实际应用。在此，香港城市大学Liu Qi、Ren Yang、西北大学Christopher M. Wolverton、阿贡国家实验室Lu Wenquan报道了一种电压衰减可忽略不计的无钴LMR锂离子电池阴极。

本文要点：

1) 该材料具有由层状LiTMO₂和各种堆叠的Li₂MnO₃组分组成的复合结构，其中存在于Li₂MnO₂的Li层中的过渡金属（TM）离子可以增强蜂窝结构的稳定性。

2) 如实验和计算结果所示，该结构在高压循环后仍可以保持稳定，并防止TM迁移和氧气损失。该工作表明，通过内部钉扎蜂窝结构，可以有效缓解LMR中长期存在的电压衰减问题，这为开发下一代高能阴极材料开辟了途径。

Dong Luo, et al. A Li-rich layered oxide cathode with negligible voltage decay. Nature Energy 2023

DOI: 10.1038/s41560-023-01289-6

https://doi.org/10.1038/s41560-023-01289-6

3. Nature Materials：层状量子材料中的光诱导六角态

光对材料性质的可调谐性在能源转换和信息技术中极具应用前景。强相关材料，如过渡金属二硫族化合物，通过光掺杂提供电子相的光学控制、电荷有序和层间相关性。在这里，德国马克斯·普朗克多学科科学研究所Claus Ropers报道了层状量子材料中的光诱导六角态。

本文要点：

1) 作者发现在薄膜过渡金属二硫族化合物1T型二硫化钽（1T-TaS₂）中的两个电荷密度波相之间的激光诱导转变过程中出现了瞬态六方体状态。通过引入倾斜超快纳米束电子衍射，作者发现在高动量分辨率下重建了电荷密度波动曲线。

2) 三维结构相关性的间歇性促进了由高密度的未结合拓扑缺陷引起的平面内平移阶数的损失，这是六元中间体的特征。该结果证明了断层扫描超快结构探测在跟踪耦合有序参数方面的优点，预示着在功能异质结构和器件中实现激光诱导维度控制的普遍纳米级途径。

Till Domröse, et al. Light-induced hexatic state in a layered quantum material. Nature Materials 2023

DOI: 10.1038/s41563-023-01600-6

https://doi.org/10.1038/s41563-023-01600-6

4. Nature Materials：共轭聚合物中的空穴限制电化学掺杂

离子和电子电荷的同时传输和耦合是用于能量存储和转换、神经形态计算和生物电子学的电化学设备的基础。虽然能够实现这些技术的混合导体被广泛使用，但人们通常对离子和电子传输之间的动态关系仍知之甚少，这阻碍了新材料的合理设计。近日，剑桥大学Scott T. Keene、Akshay Rao、George G. Malliaras报道了共轭聚合物中的空穴限制电化学掺杂。

本文要点：

1) 在半导体电极中，电化学掺杂受到离子运动的限制，因为与电子和/或空穴相比，离子的质量更大。作者证明了这一基本假设不适用于共轭聚合物电极。

2) 通过使用操作光学显微镜，作者揭示了聚噻吩中的电化学掺杂速度会受到低掺杂水平下较差空穴传输的限制，从而导致更慢的开关速度。作者表明，空穴限制掺杂的时间尺度可以通过微观结构的不均匀程度来控制，从而能够设计出具有改进电化学性能的共轭聚合物。

Scott T. Keen, et al. Hole-limited electrochemical doping in conjugated polymers. Nature Materials 2023

DOI: 10.1038/s41563-023-01601-5

https://doi.org/10.1038/s41563-023-01601-5

5. Nature Nanotechnology：光纤尖端的混合电子-光子传感器

大多数传感器依赖于被测对象的电参数变化。原则上，它们通过电线和电子电路直接读出在技术上很容易实现，但它会受到电磁干扰，进而阻碍了它在工业环境中的应用。而光纤传感器可以克服这些限制，因为其传感区域和读出区域可以间隔开，有时可以间隔几公里。然而，由于其需要极高的波长精度，光纤传感通常需要复杂的询问设备。在这里，埃因霍芬理工大学L. Picelli报道了光纤尖端的混合电子-光子传感器。

本文要点：

1) 作者通过演示集成在光纤尖端的混合电子-光子传感器，将电子传感器的灵敏度和灵活性与光学读出的优势相结合。该传感器基于电光纳米光子结构，而该结构利用静电场和电磁场的强共定位来同时实现电压-波长转换和反射率调制。

2) 作者证明了通过光纤读取电光二极管电流-电压特性的可能性，从而证明了其因环境而变化的可能性。作为概念证明，作者展示了这种方法在低温传感中的应用。

L. Picelli, et al. Hybrid electronic–photonic sensors on a fibre tip. Nature Nanotechnology 2023

DOI: 10.1038/s41565-023-01435-x

https://doi.org/10.1038/s41565-023-01435-x

6. Nature Chemistry：三芳基甲基阳离子氧化还原介质增强Li–O₂电池的放电容量

Li–O₂电池商业化的一个主要障碍是碳电极上电子绝缘Li₂O₂膜生长导致的低放电容量。而氧化还原介导提供了一种有效策略，其可以将氧化学物质驱动到溶液中，从而避免表面介导的Li₂O₂膜生长并延长放电寿命。因此，探索不同的氧化还原介质类别可以帮助制定分子设计标准。在这里，伊利诺伊大学Ksenija D. Glusac报道了一类三芳基甲基阳离子，它可以有效地将放电容量提高35倍。

本文要点：

1) 作者发现具有更多正还原电位的氧化还原介质会导致更大的放电容量，因为它们抑制表面介导还原途径的能力有所提高。这一结果为氧化还原介导O₂/Li₂O₂放电容量的未来改进提供了重要的结构-性能关系。

2) 此外，作者应用计时电位测量模型来研究氧化还原介质标准还原电位的区域以及在给定电流密度下实现有效氧化还原介质所需的浓度。这一分析能指导未来的氧化还原介体探索。

Erik J. Askins, et al. Triarylmethyl cation redox mediators enhance Li–O₂battery discharge capacities. Nature Chemistry 2023

DOI: 10.1038/s41557-023-01268-0

https://doi.org/10.1038/s41557-023-01268-0

7. Nature Chemistry：巨型囊泡内部形状变形和膜相分离的动力学控制

多种细胞过程通过使用液-液相分离（LLPS）来创建组织的功能水平，但其进行的动力学途径仍不明确。在这里，南洋理工大学Atul N. Parikh、宾夕法尼亚州立大学Christine D. Keating实时监测所有合成的巨大单层囊泡内聚合物混合物的LLPS动力学。

本文要点：

1) 在动态触发相分离之后，作者发现在通往新平衡的过程中，随后的弛豫受到液滴相的粗化和相互作用的膜边界之间的动态相互作用调节。膜边界优先被润湿，从而动态地阻止膜的粗化和变形进程。

2) 当囊泡由常见脂质的相分离混合物组成时，囊泡内部的LLPS与膜的组成自由度耦合，产生微相分离的膜纹理。体相和表面相分离过程的耦合表明了一种物理原理，即活细胞内的LLPS可以被动态调节并传递到细胞边界。

Christine D. Keating, et al. Kinetic control of shape deformations and membrane phase separation inside giant vesicles. Nature Chemistry 2023

DOI: 10.1038/s41557-023-01267-1

https://doi.org/10.1038/s41557-023-01267-1

8. Nature Commun：用于集成纳米器件的钙钛矿纳米晶体阵列的原位生长

尽管卤化物钙钛矿材料和器件的开发取得了显着进展，但由于缺乏对纳米级图案的控制，它们与纳米级光电子学的集成受到阻碍。由于钙钛矿具有快速降解的倾向，因此与传统的光刻工艺存在化学不相容性。在这里，麻省理工学院Farnaz Niroui提出了一种替代的自下而上的方法，用于精确和可扩展地形成钙钛矿纳米晶体阵列，并对尺寸、数量和位置进行确定性控制。

本文要点：

1）在该方法中，使用受控表面润湿性的地形模板来引导局部生长和定位，通过该模板设计纳米级力以实现亚光刻分辨率。

2）通过这项技术，研究人员展示了 CsPbBr₃纳米晶体的确定性阵列，其可调尺寸低至 <50 nm，位置精度 <50 nm。

3）多功能、可扩展且与设备集成工艺兼容，然后使用该技术来演示纳米级发光二极管阵列，突出了该平台为钙钛矿集成到片上纳米设备中提供的新机会。

Jastrzebska-Perfect, P., Zhu, W., Saravanapavanantham, M. et al. On-site growth of perovskite nanocrystal arrays for integrated nanodevices. Nat Commun 14, 3883 (2023).

DOI：10.1038/s41467-023-39488-0

https://doi.org/10.1038/s41467-023-39488-0

9. Nature Commun.：π-共轭聚电解质中的水结合和吸湿性

水的存在强烈影响含离子软物质的结构、动力学和性质。然而，这种物质的水合作用尚不清楚。在这里，新加坡国立大学Peter K. H. Ho，Rui-Qi Png，Lay-Lay Chua通过对单价π共轭聚电解质的大量研究表明，它们的可逆水合（每个离子对最多有几个水分子）主要发生在离子簇和疏水基质之间的界面，而不会破坏离子堆积。

本文要点：

1）建立了适当的表面水合模型，而不是通常假设的离子簇的内部水合模型。通过对解吸能和O-H振动频率的详细分析，以及OPLS4和DFT计算，阐明了吸附水的关键结合基序。

2）I型水在50°C以下解吸，对应于构成二次水合的氢键水簇。II型水通常在50–150°C的温度下解吸，对应于在簇表面的近端阳离子或阳离子-阴离子对的影响下与阴离子结合的水，这构成了初级水合作用。

3）III型水在超过150°C时不可逆地解吸，相当于动力学上捕获在离子之间的水。其含量随加工和热处理的不同而变化很大。因此，吸湿性（即每个离子对的吸水能力）不仅取决于离子，还取决于它们的簇形态。

Tang, C.G., Syafiqah, M.N., Koh, QM. et al. Water binding and hygroscopicity in π-conjugated polyelectrolytes. Nat Commun 14, 3978 (2023).

DOI：10.1038/s41467-023-39215-9

https://doi.org/10.1038/s41467-023-39215-9

10. Nature Commun.：用于全色域和高纯度结构色的Fano共振光学镀膜平台

结构着色是一种光稳定且环保的着色方法，利用光学干涉和纳米光子共振来获得具有一系列应用的颜色，包括显示技术、彩色太阳能电池板、隐写术、装饰、数据存储和防伪措施。近日，罗切斯特大学Mohamed ElKabbash，Chunlei Guo，Giuseppe Strangi通过使用反射和不透明材料作为基底开发了一类反射FROC，这导致了与窄带纳米腔谐振相对应的高反射谐振峰。

本文要点：

1）研究人员通过数值和实验研究了 FROC 的颜色特性。研究表明，反射式 FROC 结构着色的理想平台，可产生跨越宽色域、高亮度和高纯度的颜色。

2）通过引入介电薄膜覆盖层进一步增强了纯度和色域覆盖范围。颜色对入射角的依赖性可以通过介电腔材料进行控制，从而使 FROC 适用于需要角度无关的各种应用（例如装饰）或角度依赖的着色（例如防伪措施）。

3） FROC 的结构着色可以找到需要强宽带光吸收和高纯度颜色的新应用，例如彩色太阳能热发电板、彩色光伏板、彩色热光伏板和彩色太阳能热电发电机。

这些可再生能源通常具有相同的颜色，黑色或深蓝色，这使得它们在美学上没有吸引力。

ElKabbash, M., Hoffman, N., Lininger, A.R. et al. Fano resonant optical coatings platform for full gamut and high purity structural colors. Nat Commun 14, 3960 (2023).

DOI：10.1038/s41467-023-39602-2

https://doi.org/10.1038/s41467-023-39602-2

11. Angew：体相重构为水性锌离子电池提供坚固的锌金属阳极

水系锌离子电池本质上是安全的，但锌阳极上严重的枝晶生长和腐蚀反应极大地阻碍了其实际应用。大多数锌负极改性策略是指对锂金属负极进行表面调控的研究，而没有考虑锌负极的内在机制。近日，中南大学Haiyan Wang首次指出，由于固液转换剥离过程中不可避免的表面损伤，表面改性不能永久保护锌阳极。

本文要点：

1）研究人员提出了一种体相重建策略，以在商业锌箔的表面和内部引入丰富的亲锌位点。

2）即使在深度剥离后，体相重构的锌箔阳极也表现出均匀的表面和高亲锌性，显着提高了对枝晶生长和副反应的抵抗力。

该策略为开发具有高可持续性的实用可充电电池的无枝晶金属阳极提供了一个有前途的方向。

Zefang Yang, et al, Bulk-Phase Reconstruction Enables Robust Zinc Metal Anodes for Aqueous Zinc-Ion Batteries, Angew. Chem. Int. Ed. 2023, e202308017

DOI: 10.1002/anie.202308017

https://doi.org/10.1002/anie.202308017

12. AM：利用镍锌微电机可进行信号通讯以引导神经干细胞

神经干细胞具有自我更新、分化和环境调节的能力，有望用于中风、脑损伤治疗和神经元再生。相比于外源性细胞移植，内源性神经干细胞的激活避免了免疫排斥和伦理问题。然而，如何在原位诱导定向生长和分化仍然是一个重大挑战。中山大学彭飞和南方医科大学涂盈锋通过自行建立的电化学场提出了一种纯水驱动的镍锌微电机。

本文要点：

1）在Zn端，H⁺被还原成H₂和Zn²⁺。Zn²⁺的逐渐积累产生了浓度梯度和驱动Ni-Zn微电机的自建电场。有趣的是，与以往的化学驱动微电机相比，Ni-Zn微电机在运动过程中没有气泡产生，从而避免了气体栓塞。

2）Ni端可实现精确的细胞靶向，在定位和可控性方面具有独特优势。微电机的自建电场导致Ca²⁺通道的开放，增加Ca²⁺内流，从而增加细胞内Ca²⁺水平，从而诱导神经干细胞分化。

3）与此同时，锌端释放出微量的Zn²⁺，对神经发生发挥重要作用。因此，电化学场可激活细胞信号通路，从而决定神经干细胞的分化命运。这种镍锌微电机平台为诱导神经干细胞定向分化提供了可能性，并为神经元再生提供了新的途径。