富锂锰基层状正极材料由于具有较低的成本和超过250 mAh·g-1的放电比容量,成为很有前景的正极材料之一,但是其本身存在的首周库仑效率低和电压衰减等问题限制了产业化进程。高充电电压会导致富锂材料结构不稳定从而增加电池的安全隐患,因此在较高的充电电压下,材料的首周充放电结构演化有待进一步研究。本文首先通过碳酸盐共沉淀法合成前驱体,经过混锂后煅烧制备富锂锰基层状正极材料（Li1.13Ni0.18Co0.09Mn0.56O2）,并研究不同充电截止电压对其首周库仑效率和循环性能的影响。研究表明,高充电电压会带来容量增加,但其首周库仑效率将大幅降低。循环伏安表征发现,充电截止电压为5.0 V时,部分体相的晶格氧会发生可逆的氧化反应,这将有利于容量的提升。TEM、XRD和SEM表征结果显示,在首周充电后电极材料不仅发生了深入到体相的结构变化,同时出现了大片的层错和尖晶石相MnOx和NiOx等不可逆相变,还会与电解液发生反应,材料结构无法保持稳定。结合Mapping和XPS表征结果显示,充电电压较高时会有更多的体相晶格氧参与氧化还原反应,这将使更多具有强氧化性的过氧和超氧离子与电解液发生副反应,并伴随过渡金属的溶出,加速材料的结构坍塌,最终不利于电池的长循环性能。
水系钠离子电池因其低成本和高安全性有望在大规模储能领域得到广泛应用,但稀水溶液的电化学稳定窗口窄（1.23 V）,限制了钠离子电池的能量密度。“water-in-salt”盐包水策略可有效扩宽水的电化学稳定窗口。本文中通过使用高浓度的乙酸铵（CH3COONH4,25 mol·L-1）与乙酸钠（CH3COONa,5 mol·L-1）,将水的电化学稳定窗口扩宽至3.9 V。该高浓度水溶液与MnO2/CNTs正极和NaTi2(PO4)3/C负极组装的全电池平均工作电压为1.3 V,容量可以达到74.1 mAh·g-1。
建立能有效处理酸性废水的臭氧类高级氧化技术（AOPs-O3）是一个有待解决的难点。已有报道表明,臭氧氧化与电解结合（电解臭氧化,E-O3）可以有效降解中性溶液中的污染物。本文研究了E-O3在酸性溶液中降解乙酸（HAc,臭氧惰性物）的效率,发现E-O3在pH小于3时仍具有较高的氧化效率,如在pH为1.0时处理100 mg·L-1 乙酸溶液2小时后E-O3的效率达到52.2%,而相同条件下电解和臭氧氧化的效率分别只有2.2%和3.5%。尽管酸度增加会降低E-O3的氧化效率,但在pH等于0时其仍有相对较高的氧化效率。芳族化合物苯乙酮在pH等于1.0条件下也能被E-O3有效地降解并矿化。机理解析表明,溶解臭氧或氧气可以从阴极获得电子,从而产生高活性的氧化物种,如羟基自由基。在预处理了一种实际酸性废水中E-O3也具有较好的效率。本研究为酸性废水的有效（预）处理提供了一种新方法。
本文将3D纳米结构花状CoS电沉积在石墨烯胶带电极（GTE）上,制备了一种对葡萄糖响应良好的电化学传感器。结构分析显示电沉积的CoS均匀地分散在了电极上。实验结果表明,制备的花状CoS/GTE葡萄糖传感器在0.025 ~ 1.0 mmol·L-1显示出良好的线性关系,灵敏度为323.3 μA·(mmol·L -1)-1·cm-2,检出限为8.5 μmol·L -1 (S/N = 3),而且制备的传感器能够应用于血清葡萄糖的检测。这表明本文制备的传感器具有一定的应用潜力。
电化学二氧化碳还原反应（CO2RR）是一种利用间歇性可再生电力缓解环境问题,并且生产液体燃料和工业化学品的有前途的方法。然而,传统的H型反应器由于在电解液中较低的CO2溶解度以及两电极之间较大的极距而导致高欧姆电阻,严重限制了CO2RR的电化学性能,不利于CO2RR在工业应用的发展。在本文中,我们设计了一种基于0.5 mol·L-1 KHCO3的自生长Cu/Sn双金属电催化剂的高性能连续流膜电极组件（MEA）反应器,用于将CO2转化为甲酸。与H型反应器相比,流动式MEA反应器不仅显示出优异的电流密度（-1.11 VRHE时电流密度为66.41 mA·cm-2）,而且还保持了较高的甲酸法拉第效率（89.56%）,并且能够稳定工作至少20 h。本文还设计了一套新型CO2RR系统,可以有效地分离气态/液态产物。出乎意料的是,在-0.91 VRHE且电池电压为3.17 V时,甲酸的生产率为163 μmol·h-1·cm-2。本文为克服电化学CO2RR的传质限制以及分离液体和气体产物提供了一条新途径。
过渡金属磷化物(TMP)作为一种理想的甲醇电氧化助催化剂,因其具有多功能活性位点、结构和组成可调、独特的物理化学性质和高效的多组分协同效应等优势而受到越来越多的关注。本文综述了过渡金属磷化物促进甲醇电氧化的研究进展,包括催化剂的制备及其催化甲醇电氧化的性能评估。首先,介绍了TMP对催化甲醇氧化反应的促进作用,然后在正文中讨论了基于不同金属中心的TMP催化剂体系的制备与性能研究。从电子效应和基于双功能催化机制的亲氧性来看,TMPs对催化甲醇氧化有明显的促进作用。最后,我们讨论了在催化剂理性设计及其催化机理探索和燃料电池装置应用中应注意的问题和挑战,希望对新型催化剂体系的设计和制备有一定的指导意义。
燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的能量转换装置,具有能量密度高、利用率高、清洁安静等优点。在不同类型的燃料电池中,质子交换膜燃料电池（PEMFC）不仅能量密度高,而且具有在近常温条件下工作的特点,因此受到广泛关注。目前,商业化PEMFC仍采用铂基纳米材料作为催化剂,其中缺乏低成本、高效的阴极催化剂是限制PEMFC性能提升和成本降低的关键因素之一。本文综述PEMFC催化剂的结构可控制备及其对阴极氧还原反应和膜电极性能的影响,阐述调控催化剂结构提高PEMFC性能的方法,特别是提高贵金属催化剂的利用率,降低膜电极中贵金属用量的研究进展。
由于近年来在电化学能源转化、存储及高附加值化学品电合成上的兴趣,设计与制备电催化剂受到越来越多的关注。活性是电催化剂关键参数之一,但观测到的活性会受到催化剂负载量的影响。本工作中,我们采用Co3O4/石墨纸（Co3O4/GPE）电极作为电极模型,通过循环伏安法和计时电位法展示Co3O4的负载量是如何影响乙二醇在碱性溶液（KOH）中氧化的。基于对氧化还原峰和双电层电容的分析可以得出增加催化剂负载量可以增加电化学活性位点数,也可以在低的氧化电位下促进乙二醇氧化,但在高的电位下并没有明显的促进作用。这个结果提供了对有机小分子电催化剂负载量优化的一些思考。
金属离子电池改变了我们的日常生活。金属离子电池里的电极材料研究是提高电池性能的关键。因此,深刻理解电极材料的结构-性能关系,有助于提高材料的能量密度和功率密度。磁共振,包括核磁共振（NMR）和电子顺磁共振（EPR）,在过去的三十年中不断得到改进,并逐渐成为研究电极材料结构性能关系的重要技术之一。本文总结了我们课题组在几种有趣的电极材料上的磁共振研究进展,阐释了NMR和EPR在电极材料研究中的重要作用。本文将有助于把握磁共振技术对电池研究的重要价值,促进磁共振技术的进一步发展。
高镍层状氧化物具有成本低、能量密度高的优点,被认为是新一代锂离子电池的理想正极材料。然而,由于在使用中其结构的耐久性与安全性问题,在实际应用过程中仍然面临着严峻的挑战。深入了解电极材料容量衰减过程中的结构演变对发展高性能层状氧化物电极材料具有重要的指导意义。本文综述了近年来高镍层状氧化物正极失效机理的研究进展,包括从高镍层状氧化物的内部结构演变、表面成分变化和热失控条件下的性质等方面,进行了详细的梳理。之后,本文介绍了国内外最新的高镍层状氧化物的改性策略,并对高镍氧化物正极结构研究的发展方向进行了总结和展望。
在各类CO2还原电催化剂中,锡基材料获得了研究人员的广泛关注,但其总体催化性能仍然受催化剂电极的组成,形貌和结构的限制。在本研究中,我们利用Sn低熔点（m.p. 232oC）的特性,在聚多巴胺碳化的同时实现Sn的熔化与再结晶,合成了由氮掺杂碳层网络分散的异质结构Sn/SnO2纳米颗粒自支撑电极（Sn/SnO2@NC）。氮掺杂碳层网络有利于电子的富集,可提高催化剂电极的导电性,防止超细纳米粒子的团聚,并保护其不在电解液中溶解。在CO2饱和的0.5 mol·L-1 NaHCO3水溶液中,所制备Sn/SnO2@NC电极与没有碳层网络包覆的电极相比,其CO2还原催化性能得到了很大的提高。该Sn/SnO2@NC电极在-0.9 V（vs. RHE）的电解电压下,电流密度为17 mA·cm-2,甲酸盐产物的选择性为83%。通过偶联该CO2还原催化电极与商品化RuO2催化剂作为水氧化阳极,可实现持续的CO2/H2O电解。此外,以Sn/SnO2@NC为阴极,Zn箔为阳极,我们还构建了可充放电的水系Zn-CO2电池。该电池的输出开路电压为1.35 V,峰值功率密度为0.9 mW·cm-2。本研究为高性能CO2还原催化剂的设计提供了新的思路,同时可充放电Zn-CO2电池的构建为绿色能源转换和存储系统提供了新的方案。
本文定位在一篇电化学双电层（EDL）理论建模方面入门级文章。我们首先简要介绍了EDL的基本特征,简述了EDL理论建模的发展历史,特别是D.C. Grahame之后近几十年的发展历史。然后,我们依次介绍了平衡状态和动态下不同复杂度的EDL模型。作为一篇入门级文章,我们尽可能详细地阐释理论模型的物理图像、假设、数学推导、形式分析、数值分析,并附上Matlab仿真代码。平衡状态下的模型包括Gouy-Chapman-Stern（GCS）模型,Bikerman-Poisson-Boltzmann（BPB）模型,和非对称离子尺寸模型。我们强调GCS模型和BPB模型在处理离子有限尺寸上存在一个微妙的不同。GCS模型通过人为引入Helmholtz平面来考虑离子有限尺寸,但在Helmholtz平面内及弥散层内却依然采用没有考虑离子尺寸效应的Poisson-Boltzmann理论,因而此处的离子浓度可以无限大。与之不同,BPB模型通过格子气体方法,能够自洽描述离子有限尺寸效应。不同以往直接采用Poisson-Nernst-Planck方程描述EDL动态行为,我们从EDL的巨势出发,运用基本的泛函分析方法,推导了一个考虑离子有限尺寸的EDL动态模型。这一理论方法拓展性好。读者可以根据研究对象的需要,建立不同复杂度的EDL动态模型。最后,我们基于EDL动态模型,推导了EDL的电化学阻抗谱理论模型,以试图向读者展示如何从一个时域物理模型出发,推导相应的阻抗谱物理模型。读者若想要踏进理论电化学这个美丽的花园,根据我们自己学习和研究的经验,一个可行的方式是拿起纸和笔来开始推导本文所介绍的这些模型。
由可再生能源驱动的水分解是一种有前途的生产清洁能源的技术,而发生在阳极的析氧反应是水分解反应的速率决定步骤。本文通过调整催化剂的晶面,暴露更多的有效活性位点调控尖晶石钴氧化物析氧反应活性。在三个合成晶面(100)、(111)和(110)中,(100)晶面本征活性最高。结合原位红外和DFT计算分析可知,OER反应在氧化钴晶体的(100)平面上反应能垒最低。XPS分析进一步表明,纳米立方体表面具有最高的Co3+/Co2+比值,该结果表明Co3+是更活跃的析氧反应活性位点。
过渡金属磷化物(TMP)是一种用于碱性条件下析氢反应(HER)的有效催化剂, 然而其活性严重受限于水解离步。本文通过在泡沫铜(CF)上生长Cu(OH)2纳米阵列, RuCl3溶液浸泡和磷酸化, 制备了一种具有较大比表面积和适当Ru掺杂的Ru-Cu3P自支撑催化剂(Ru-Cu3P/CF)。作为一种优良的HER催化剂,在电流密度为10 mA·cm-2时, 其过电位为95.6 mV, 比Cu3P/CF降低149.4 mV。其决速步由Volmer向Heyrovsky机制过渡。HER性能的提高可以归因于Ru掺杂磷化铜促进水解离过程,以及Cu(OH)2纳米阵列衍生Cu3P纳米结构具有更高的电化学活性面积, 从而保证了更多的活性位点。本论文突出了具有空的d轨道的金属掺杂促进水解离的重要性,为高性能电解水析氢催化剂的设计提供了新思路。
由太阳能、风能和海洋等可再生能源驱动的工业级水分解产氢为能源和环境的可持续性发展开辟了一条极具潜力的道路。然而,在工业上最先进电解技术使用高纯水作为氢源,这将带来严重的淡水资源危机。海水分解为饮用水短缺提供了一条切实可行的解决途径,但仍面临规模工业化生产的巨大挑战。在这里,我们总结了海水分解的最新进展,包括反应机制、电极设计标准和直接海水分解的工业电解槽。深入讨论了应对海水电解中的关键挑战,如活性位点、反应选择性、耐腐蚀性和传质能力等的解决方案。此外,该文章重点总结了海水电解设备的最新发展,并提出了设计长寿命直接海水电解装置的有效策略。最后,我们对直接海水电解的未来机遇和挑战提出了自己的观点。
相工程被认为是调节催化剂电子结构和催化活性的有效方法。非晶材料的无序构型允许表面电子结构的灵活重整,显示出其作为析氢反应(HER)催化剂的吸引力。在此,我们设计并开发了一种具有无序Ru-O构型的非晶催化剂(a-RuO2)。结合先进的电镜技术和详细的电化学测试,建立了Ru-O有序性与HER性能的构效关系。具体来说,无序的Ru-O配位显著增强了酸性和碱性 HER 中的催化活性,最终使经济性更高的a-RuO2催化性能接近商业Pt/C。此外,在10 mA·cm-2下进行10 h电流-时间(i-t)测试后,a-RuO2表现出极好的稳定性。进一步的理论模拟显示a-RuO2较低的d带中心和优化的电子输运调制了活性位点对中间反应物的吸附强度,促进了HER动力学。这项工作为通过相工程探索高活性HER催化剂提供了新的观点。
氢气是一种清洁、高效、可再生的新型能源,并且是未来碳中和能源供应中最具潜力的化石燃料替代品。因此,可持续氢能源制造具有极大的吸引力与迫切的需求,尤其是通过清洁、环保、零排放的电解水方法。然而,目前的电解水反应受到其缓慢的动力学以及低成本/能源效率的制约。在这些方面,电化学合成通过制造先进的电催化剂和提供更高效/增值的共电解替代品,为提高水电解的效率和效益提供了广阔的前景。它是一种环保、简单的通过电解或其他电化学操作,对从分子到纳米尺度的材料进行制造的方法。本文首先介绍了电化学合成的基本概念、设计方法以及常用方法。然后,总结了电化学合成技术在电解水领域的应用及进展。我们专注于电化学合成的纳米结构电催化剂以实现更高效的电解水制氢,以及小分子的电化学氧化以取代电解水制氢中的析氧共反应,实现更高效、 增值的共电解制氢。我们系统地讨论了电化学合成条件与产物的关系,以启发未来的探索。最后,本文讨论了电化学合成在先进电解水以及其他能量转换和储存应用方面的挑战和前景。
与传统化石能源制氢技术相比,利用可再生能源驱动电解水制氢技术具有绿色可持续和制氢效率高等优势,被认为是目前最具前景的制氢方式。然而, 由于电解水两极反应动力学缓慢、 催化剂稳定性较差, 限制了其大规模发展。此外, 阳极析氧反应存在较高的过电势, 从而导致当前制氢能耗与成本较高, 严重制约了其商业化应用。 为了解决上述问题与挑战,本文对当前发展较为成熟的碱性电解水技术进行了综合讨论与分析。 首先, 对电解水发展历程中的重要节点进行了总结, 便于读者了解该领域。进一步, 从电催化剂、 电极、 反应和系统的角度深入总结了提升电解水制氢性能的有效策略。作者分别介绍了近年来层状双金属氢氧化物基电解水催化剂、电解水制氢耦合氧化反应以及可再生能源驱动的电解水系统的重要研究进展; 同时对结构化催化剂在电解水应用中的构效关系进行了深入分析。最后, 对该领域存在的挑战和未来发展方向进行了展望,希望能为氢能的发展和推广提供一定的思路。
锂层状氧化物LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2（NCM622）是电动汽车高能锂离子电池中最有前途的正极材料之一。然而，目前NCM622的一个问题是其初始库仑效率（ICE）只有约87%，比LiCoO2或LiFePO4至少低6%。在本工作中，我们研究了在烧结过程中形成的表面化学残留物（如LiOH和Li2CO3）和Li/Ni阳离子混排对ICE的影响。结果表明，当烧结温度从825 oC提高到900 oC时，样品的ICE从80.80%提高到86.68%，而相应的Li/Ni阳离子混排和表面化学残留物也有所减少。进一步地，我们使用HNO3溶液洗涤去除825 oC烧结后的样品的表面残留物，发现尽管Li/Ni阳离子紊乱有所增加，但ICE提高3.57%。这些结果表明，通过适当的烧结工艺和后处理技术将表面残留量和Li/Ni阳离子混排降至最低是获得高ICE并改善NCM622电化学性能的关键。
近年来，随着单阳离子液体的发展，新型低聚物离子液体被合成并应用。这类离子液体可看作是由几个重复的单阳离子组合而成，可以通过改变阳离子带电基团、间隔连接的长度或种类、末端链的长度以及阴离子种类来获得更多不同的结构。因此，低聚离子液体有更复杂的微观结构和内部相互作用，决定了其多特征的物化性质和电化学特性，有望满足更多对溶剂性能有特定要求的应用。例如，与单阳离子液体相比，低聚离子液体具有更大的可调节性、更宽的液态温度范围、更高的热稳定性等优点，使其在电化学储能设备中得到越来越多的应用，如用作超级电容器和锂离子电池的电解液。在本综述中，我们系统地总结并详细解释了低聚离子液体的性质和结构（包括单个离子的结构和本体液内部的纳米组织）之间的关联，主要是双阳离子液体和三阳离子液体；概括了低聚离子液体作为超级电容器和锂离子电池的电解液的相关研究，重点阐述了由低聚离子液体和不同类型电极组成的双电层的结构和性能，以及与相应单阳离子液体电解液的比较结果；提供了降低低聚离子液体粘度和加速离子扩散的优化措施，提出了低聚离子液体电解液未来可能面临的主要问题和发展前景。
水系锌离子电池具有功率密度高、环境友好、安全性高、低成本和锌资源丰富等优点，被认为具有潜力成为下一代电化学储能系统。然而，正极材料较差的电化学性能制约了水系锌离子电池的未来发展。尽管氧化锰、氧化钒、普鲁士蓝类似物、有机材料等多种材料已被广泛研究，设计具有高性能的理想正极材料仍面临着巨大挑战。无氧钒基化合物由于具有高的电导率、大的层间距、低的离子扩散势垒和高的理论比容量，受到越来越多的关注。本文总结了无氧钒基化合物的研究进展，包括电极材料的设计、改善其电化学性能的有效途径以及复杂的储能机制，提出了无氧钒基化合物目前面临的挑战和未来的发展前景，为进一步制备新型高性能钒基正极材料提供指导。
电解液及构筑电极电解液界面对于开发和应用高比容量储能系统至关重要。具体来说，电解液的机械（抗压性、粘度）、热（热导率和热容）、化学（溶解性、活度、反应性）、输运和电化学（界面及界面层）等性质，与其所组成的储能器件的性能直接相关。目前，大量的实验研究通过调控电解液的物理和/或化学组成来改善电解液性能，以满足新型电极材料的工作运行。与此同时，理论模拟方法近年来得到了迅速发展，使人们可以从原子尺度来理解电解液在控制离子输运和构筑功能化界面的作用。站在理论模拟研究的前沿上，人们可以利用其所揭示的机理性认识对新型电解液开展理性设计。本文首先总结了传统电解液的组成、溶剂化结构和输运性质以及电极电解液界面层的形成机理，进一步讨论了利用新型电解液设计稳定电极电解液界面层的方法，包括使用电解液添加剂、高浓电解液和固态电解质，并着重讨论了对这些新型电解液体系进行原子尺度模拟的最新进展，为了解和认识电解液提供更为基本的理解，并为未来电解液的设计提供系统的指导。最后，作者对新型电解液的理论筛选进行了展望。
由于正极活性物质硫具有能量密度高、成本低廉和储量丰富等优点，锂硫（Li-S）电池受到了人们的极大关注。然而，锂硫电池充放电过程中产生的多硫化锂的“穿梭效应”严重阻碍了其实用化进程。为了解决这个问题，本研究借助动物软骨的组成和结构特点，制备了纳米羟基磷灰石@多孔碳（nano-HA@CCPC）复合材料，并以此设计了面向正极的锂硫电池隔膜涂层。研究表明，纳米羟基磷灰石不仅对多硫化物具有吸附固定作用，并且对多硫化锂的转化具有催化作用，加快了多硫化锂的氧化还原动力学，有效地提升了活性物质硫的利用率。另外，软骨基碳复合材料的多孔结构形成了很好的导电网络，为电化学反应提供了优良的电子传导路径；也有利于电解液的浸润，加快了离子传输；碳的氮原子掺杂进一步限制了多硫化物的穿梭效应。因此，采用nano-HA@CCPC隔膜涂层的锂硫电池表现出较长的循环寿命、低的容量损失以及高的倍率性能。在0.5 C下，循环325次后，电池仍然能保持815 mAh·g-1的放电比容量，并且每次的容量衰减率仅为0.051%。nano-HA@CCPC的设计制备将为锂硫电池的发展提供新材料。
通过电解液分解在电极上形成的固体电解质界面（SEI）层被认为是影响电池性能的最重要因素。 然而，我们发现金属离子溶剂化结构也会影响其电极性能，尤其可以阐明许多SEI无法解释的实验现象。基于该综述，本文总结了金属离子溶剂化结构和衍生的金属离子去溶剂化行为的重要性，并建立了相应的界面模型以展示界面行为和电极性能之间的关系，并将其应用于不同的电极和电池体系。我们强调了电极界面离子/分子相互作用对电极性能的影响，该解释与以往基于SEI的解释不同。该综述为理解电池性能和指导电解液设计提供了一个新的视角。
锂离子电池已成为解决现代社会储能问题的最佳解决方案之一。然而，电池材料和器件开发都是复杂的多变量问题，传统的依赖研究人员进行实验的试错法在电池性能提升方面遇到了瓶颈。人工智能（AI）具有强大的高速、海量数据处理能力，是上述突破研究瓶颈的最具潜力的技术。其中，机器学习 (ML) 算法在评估多维数据变量和集合之间的组合关联方面的独特优势有望帮助研究人员发现不同因素之间的相互作用规律并阐明材料合成和设备制造的机制。本综述总结了锂离子电池传统研究方法遇到的各种挑战，并详细介绍了人工智能在电池材料研究、电池器件设计与制造、材料与器件表征、电池循环寿命与安全性评估等方面的应用。最重要的是，我们介绍了AI和ML在电池研究中面临的挑战，并讨论了它们应用的缺点和前景。我们相信，未来实验科学家、数学建模专家和AI专家之间更紧密的合作将极大地促进AI和ML方法用以解决传统方法难以克服的电池和材料问题。
相比于传统乙腈电解液体系的超级电容器，离子液体基超级电容器具有工作窗口电压高，能量密度大，不可燃等优点，适用于碳中和时代清洁但不稳定电力领域的大规模储能。然而，目前的工作主要集中在对纽扣型离子液体-超级电容器的研究上，有关软包式离子液体-超级电容器的长循环寿命评测的报道较少。构建可靠的超级电容器用于长时间测试或在高温下开展加速老化测试，应考虑集流体/电极界面的良好接触，以最小化电荷转移电阻。本文以包覆不同碳层的泡沫铝为集流体，研究了超级电容器新系统中的碳-铝界面效应。通过环氧树脂薄膜碳化得到的均匀无定形碳层，相比通过PVDF粘附石墨烯碳层，赋予了铝相和碳相更强的相互作用。此外，为了充分挖掘大离子尺寸的离子液体电解液的潜力，本文采用介孔碳电极实现离子在介孔间的快速扩散。因此，本工作首次制备了由介孔碳电极、离子液体电解液和覆碳三维泡沫铝集流体组成的新结构软包式超级电容器。以自制的容量为37 F的不同软包式超级电容器件，通过3 V、65 oC、500 h加速老化试验，研究了其时间依赖性的电化学性能，包括CV测试、恒流充放电测试、电容值、接触电阻、电化学阻抗谱等。相比石墨烯包覆的泡沫铝基器件，无定形碳层包覆的泡沫铝基器件表现出更高的电容保持率。此外，我们还对ESR进行了等效电路拟合，并深入分析了接触电阻、电荷转移电阻、韦伯电阻，研究了C-Al界面对高能量密度超级电容器的高性能和稳定性的影响。500小时老化测试前后的极片表征证实了上述结果。高温、高压条件使粘附石墨烯碳层的泡沫铝界面结构不可靠。而泡沫铝表面原位包覆的碳层在老化过程中表现出较强的相互作用和稳定的结构。这些坚实的数据为面向高能量密度、高功率密度和长循环寿命，进一步优化高窗口电压超级电容器提供了充足的信息。
硫化聚丙烯腈因其不溶解机制和有效缓解锂硫电池中多硫化物“穿梭效应”，被认为是具有吸引力的锂硫电池正极候选材料。硫化聚丙烯腈的导电聚合物骨架具有优异的电子导电性，同时共轭主链能有效解决充放电过程中硫正极体积变化引起的正极结构坍塌问题。因硫化聚丙烯腈的固-固反应机理，有效克服了传统硫正极在醚类电解液中多硫化物溶解及穿梭效应的问题，具有高正极活性物质利用率、出色的循环稳定性和结构稳定性等优势。有许多研究工作致力于通过硫化促进剂来提高硫化聚丙烯腈的硫含量，进而提高材料的能量密度。其中，硫化聚丙烯腈主链的环化度与循环稳定性的关系引起了我们的关注。在该研究工作中，通过在硫化过程中引入无水硫酸铜和正乙基正苯基二硫代氨基甲酸锌(ZDB)合成了SPAN-C-V复合材料。无水硫酸铜和ZDB的共同引入降低了聚丙烯腈环化反应的起始温度，同时提高了产物SPAN-C-V内碳碳双键的含量，在提高了材料硫含量的同时提高了其环化度。以SPAN-C-V为正极活性物质所组装的锂硫电池展现出良好的循环稳定性和倍率性能：在0.2 C (1 C = 600 mAh·kg-1)下循环100次后的可逆容量为601 mAh·kg-1，容量保持率为93%。该工作对于硫化聚丙烯腈材料的发展提供了参考。
全球能源结构转型推动了电化学储能系统的飞速发展，提高能量密度是发展新型二次电池的重要方向和研究热点。然而，受限于传统的嵌入式反应，锂离子电池在能量密度上已经逐渐达到极限。要发展更高能量密度的新型二次电池，需要在新理论、新材料和新体系上进行突破。基于此，本文总结了20年来多电子反应材料概念的形成、理论的发展、材料创制的历程。在“轻元素多电子反应”和“多离子效应”核心设计准则的指导下，具有上述特征的电极材料与电池结构不断发展迭代，引领了高能量密度电池的发展方向。从阳离子氧化还原到阴阳离子协同氧化还原，从嵌入式反应到合金化反应，从传统有机液态体系到电池固态化，本文梳理了典型的多电子反应正负极材料的结构特性、体系创新和工程化前景，剖析了多电子反应电极材料的瓶颈问题，并分析了电池固态化发展所面临的挑战。最后，对高能量密度电池的未来发展趋势和难点进行了归纳与展望。
锂硫电池因其超高的理论能量密度被视为极具前景的下一代电化学储能体系，其中高比容量的硫正极提供了锂硫电池的能量密度优势并直接决定了电池的实际性能。经过数十年的发展，最具前景的硫正极体系分别是硫碳复合（S/C）正极和硫化聚丙烯腈（SPAN）正极。本文系统综述了S/C正极和SPAN正极的最新研究进展。首先，简要介绍了两种正极的工作原理并进行了比较。S/C正极发生固-液-固多相转化反应，充放电表现为双平台特征。与之相比，SPAN正极发生固-固反应，充放电曲线为单平台。然后，对两种正极所面临的挑战和目前报道的优化策略进行了系统的分析与讨论。对于S/C正极，主要调控策略包括电极结构修饰、电催化剂设计与辅助氧化还原介体调控；对于SPAN正极，主要调控策略包括电极结构设计、电极形貌调控、杂原子掺杂和外源性氧化还原介体调控。最后，在电池尺度上对S/C正极和SPAN正极进行了综合比较，并对基于S/C正极和SPAN正极的锂硫电池在未来所面对的机遇与挑战进行了展望。
