锂-硫电池具有高的理论电芯比能量和低成本，是极具应用前景的下一代电化学储能技术，已被广泛研究。实用化锂-硫电池技术目前面临的挑战主要包括正极侧电活性硫物种在充放电过程中的不可逆损失，负极侧枝晶形核生长，以及因活性硫迁移至负极而导致的界面副反应，上述问题会导致电池工况条件下性能迅速衰退，引发电池失效和安全问题。本工作中，我们提出通过设计非对称的电极-电解质界面稳定锂-硫电池正负极电化学，协同促进电极/电解质体相和界面电荷输运，从而延长电池循环寿命，显著提升电化学性能。本文所讨论的策略有望指导电池界面理性设计，助力实现高性能的锂-硫电池。

锂电池体系中负极表面固态电解质界面相（SEI）对锂电池性能起到至关重要的作用。然而，SEI结构和化学组成复杂，其形成机理至今仍未完全阐明，阻碍了锂电池的发展和应用。本文从方法学角度出发，采用表面增强拉曼光谱（SERS）“借力”策略，通过优化银纳米粒子的结构并借助其外来表面局域等离激元共振作用，开展以EC-DMC为溶剂的碳酸酯类电解液体系中SEI成膜过程的原位研究。为了确保可靠的原位SERS测试，我们设计了一种三电极体系气密拉曼电池。我们利用原位SERS方法，在纳米银电极上获得了SEI成膜过程的组成和结构信息。研究表明，SEI随电位变化呈现出双层结构，其中内层由薄且致密的无机组分构成，外层由疏松的有机组分构成。同时，研究发现LEMC是EC还原的主要成分，而不是LEDC，且金属锂参与的化学反应在形成稳定SEI中的起到关键作用。此外，锂发生沉积后，由于锂与银的合金效应导致其介电常数发生变化，从而削无法进一步增强SEI的拉曼信号。本文为深入理解负极表面SEI的形成及演变过程提供依据，并为今后开展锂电池体系相关界面过程的原位研究提供借鉴。

高镍三元电池的高能量密度是取代化石能源，推动清洁能源发展的核心优势，同时也是导致电池严重安全隐患的根本原因。初级胺类与次级胺类能与常见的含碳酸乙烯酯电解液发生开环聚合，从而形成正负极间隔离层，提高电池热安全性。本文基于胺类和电池组分间的化学反应，在电池材料层面和单体层面对电池的安全性展开了研究。在材料层面，利用差示扫描量热法测试锂离子电池中有无胺类添加剂对不同组分间的热稳定性影响。在单体层面，使用绝热加速量热仪对有无添加剂全电池的安全性进行测试，提取热失控特征温度。加入胺类添加剂后电池组分间部分化学反应被提前，同时总放热量明显减少，最大温升速率下降，电池热失控得到有效抑制。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

锂硫电池具有超高的理论能量密度（2567 Wh·kg^-1），且其实际能量密度最高可达600 Wh·kg^-1。然而，液态体系的Li-S电池和传统锂电池一样存在着安全隐患。用固态电解质取代电解液有望提高锂电池的安全性能，在近二十年受到了广泛的研究。对于固态锂硫电池来说，除了由于正极材料本身的不同带来的转化机制上的差别，固态电解质的物理化学性质也会显著影响其电化学行为。这篇综述分类讨论了已报道的不同固态锂硫电池体系在性能上的优缺点及其中主要的失效机制，对其能量密度低、循环稳定性差的原因及改善电池综合性能的策略进行了归纳分析，旨在从固态锂硫电池微观机制到全电池水平的工程化设计提供全面的理解，推动固态锂硫电池的进一步发展。

锂硫电池因其高理论比容量和高能量密度的独特优势，在下一代储能体系中展现出重要的应用前景。然而，锂硫电池的商业化进程仍面临诸多挑战：如可溶性多硫化锂中间产物造成的“穿梭”问题、充放电过程中体积变化剧烈以及电极硫负载增大时的严重极化等，易导致硫正极的结构坍塌和电化学性能的快速衰变。电池作为一个有机整体，其性能优化是一个系统工程，上述挑战对电池内的每一个组分都提出了更高的要求，例如发展具有更好机械性能的新型粘结剂。在本工作中，我们首次在硫正极中引入乙氧基化三羟甲基丙烷三丙酸酯单体，通过紫外光辅助固化实现原位交联，并与传统聚偏氟乙烯粘结剂构成二元粘结剂（简称c-ETPTA/PVDF），用于制备高强度、高硫负载的长寿命锂硫电池。结果表明，采用共价交联的c-ETPTA/PVDF粘结剂不但能显著增强电极极片的机械性能，保持循环过程中的结构稳定性，还可借助其丰富的含氧官能团对溶解性多硫化锂中间产物进行高效地捕获。此外，c-ETPTA/PVDF中的醚氧键与锂离子之间适度的相互作用也有助于锂离子的快速输送。因此，S-c-ETPTA/PVDF电极在2 C倍率下可稳定循环1000次以上，且每个周期的容量衰减率仅为0.038%。即使当硫面载量提高至7.8 mg_S·cm^-2时，经过50个周期循环后，仍可输出6.2 mAh·cm^-2的高平均放电面容量。本工作展示了紫外光引发原位交联技术在制备稳固的高能量密度锂硫电池方面的巨大应用前景。

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。

锂层状氧化物LiNi_0.6Co_0.2Mn_0.2O₂（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。

严重的多硫化物穿梭效应和转化缓慢等问题导致锂硫电池容量迅速衰减，其大规模应用受限。本文将金属有机框架材料（MOF）衍生碳(Ni,Co)/C用于锂硫电池隔膜改性，很好地解决了上述问题。钴镍双金属的协同作用分别实现了大量又快速的化学固硫和抑硫的可逆性，显著提高了锂硫电池的循环稳定性和倍率性能。在1 C的电流密度下，(Ni,Co)/C改性隔膜电池的容量在第1次循环时可以达到1035.6 mAh·g^-1，在500次循环后容量仍保持662.2 mAh·g^-1，容量保持率为63.9%。此外，本工作克服了二元金属基MOF制备难的问题，使用简单快速的室温液相合成法制备了柱状镍钴二元MOF，该法有望实现MOF的宏观制备。

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。

固态锂硫电池具有高能量密度和高安全性的潜在优势，被认为是最有前景的下一代储能体系之一。虽然固态电解质的应用有效地抑制了传统锂硫电池存在的“穿梭效应”和自放电现象，固态锂硫电池仍面临着多相离子/电子输运、电极/电解质界面稳定性、化学-机械稳定性、电极结构稳定性和锂枝晶生长等关键问题亟待解决。针对以上问题，本综述对近年来固态电解质、硫基复合正极、锂金属及锂合金负极以及电极/电解质界面的研究进行了详细的论述。作为固态锂硫电池的重要组成部分，固态电解质近年来受到了研究者们的广泛关注。本文首先对在锂硫电池中得到广泛应用的聚合物基、氧化物基、硫化物基固态电解质的种类和性质进行了概述，并对其在固态锂硫电池中的最新应用进行了系统的总结。在此基础上，对以单质硫、硫化锂、金属硫化物为活性物质的复合硫正极、锂金属及锂合金负极的反应机理以及面临的挑战进行了归纳和比较，对其解决策略进行了总结和分析。此外，对制约固态锂硫电池性能的电极/电解质界面离子/电子输运以及界面相容性问题及其改性策略进行了系统的阐述。最后，对固态锂硫电池的未来发展进行了展望。

锂-硫电池具有2600 Wh·kg^-1的理论能量密度，被认为是最具发展潜力的下一代能量存储体系之一。然而，锂-硫电池的应用严重受制于单质硫和放电产物（Li₂S₂/Li₂S）迟滞的电化学反应动力学以及可溶性多硫化锂中间体的“穿梭效应”，这些问题导致电池的循环稳定性差、硫利用率以及库仑效率低下。将催化载体引入硫正极，可加快锂-硫电池中含硫物种反应速率，进而抑制活性物质溶解流失。这篇综述简要总结了金属和合金材料作为硫正极核心催化载体的最新研究进展，同时阐明了金属及合金载体对含硫物种的催化转换机理，最后对催化载体的构筑以及高能锂-硫电池的发展进行了展望。

由于具有能量密度高、成本低等优点，锂硫电池成为最有前景的下一代电池体系之一。然而，锂硫电池的实际应用仍面临着严峻挑战，如硫和硫化锂的低电导率、多硫化物的穿梭效应和锂枝晶的生长等。通过电解液的优化，可以改善电极|电解质界面，减弱副反应，提高电池性能。其中，电解液中的功能添加剂能有效调节电极界面和电池的氧化还原机制。本文系统性总结了锂硫电池添加剂的最新研究进展，并根据添加剂对锂金属负极的保护作用和对硫正极的稳定作用进行了分类。另外，本文详细讨论了添加剂在硫正极的作用，如抑制多硫化物的溶解和穿梭、充当氧化还原介质、激活硫化锂的沉积与溶解等。最后，本文展望了锂硫电池添加剂的发展前景，希望能对高性能锂硫电池电解液的设计提供借鉴。

锂硫电池是极具应用潜力的下一代高能量密度电池体系之一。然而，其充放电中间产物多硫化锂的“穿梭效应”不仅消耗大量电解液，还导致硫活性物质利用率低、循环寿命短，是锂硫电池产业化进程中的主要瓶颈之一。引入催化剂加速硫活性物质转化速率，减少多硫化锂在电解液中的累积浓度，是抑制穿梭效应的有效解决策略。高效的催化剂应具备丰富的催化活性位点，以确保高效吸附多硫化锂并加速其向不溶的充放电产物转化。本文制备出硫掺杂石墨烯表面原位负载的双金属硫化物NiCo₂S₄（NCS@SG）并将其作为催化剂应用于锂硫电池的中间层。相比于单金属硫化物（CoS），NiCo₂S₄催化剂具有多活性中心催化位点，可以更好地吸附多硫化锂并促进其向放电产物快速转化。应用上述中间层后，电池的充放电比容量、库仑效率和循环稳定性得到了明显提升。当硫的负载达到15.3 mg·cm^-2时，经过50次循环后，具有NCS@SG中间层的电池获得了高达93.9%的容量保持率。上述结果表明，设计双金属基催化剂是优化锂硫电池催化剂活性和反应效率的重要方向。

锂硫电池由于具有较高的能量密度而被认为是极具发展前景的储能设备之一。然而，硫正极遭遇迟缓的反应动力学、缓慢的电荷转移、大的体积膨胀、严重的多硫化锂穿梭效应，这些问题不可避免地导致锂硫电池表现出低的可逆容量、差的倍率性能、短的循环寿命，限制了锂硫电池的实际应用。本文总结了钴/碳复合材料（包括钴纳米颗粒和钴单原子）作为硫宿主的研究进展。总的来说，钴扮演着电催化剂的角色，能够抑制多硫化锂的穿梭效应，加快电化学反应动力学，促进离子/电子转移以及缓解体积膨胀。同时，我们展望了钴/碳复合材料作为锂硫电池硫宿主的发展前景。本工作可为钴/碳复合材料作为锂硫电池硫宿主提供完整的蓝图和建设性的建议，同时这些策略也可用于其他金属-硫电池。

随着电动汽车的高速发展，对锂离子电池的能量密度、循环性能和成本提出了更高的要求，目前已有的高镍材料LiNi_0.8Co_0.1Mn_0.1O₂(NCM811)能量密度可以达到760 Wh·kg^-1，已成为锂离子正极材料发展的重要方向。超高镍三元正极材料（ LiNixCoyMn_1-x-yO₂，x ≥ 0.90）具有超过210 mAh·g^-1比容量，因而可实现更高的能量密度，但目前关于超高镍材料的研究工作仍然比较少。超高镍正极材料的研究极具实用意义，因此，本文选择LiNi_0.96Co_0.02Mn_0.02O₂（NCM96）这一超高镍材料进行研究。为了提升超高镍三元正极材料NCM96的电化学性能，本工作采用了氧化钨和磷钨酸来对其进行包覆改性，并系统研究了材料改性前后的结构、形貌及电化学性能。其中，氧化钨包覆能有效提升三元材料的电化学性能，但目前尚未有利用氧化钨对超高镍正极材料进行包覆改性的报道。此外，磷钨酸是一种可以同时实现氧化钨和磷酸盐双重包覆的物质，双重包覆有望实现比单一元素包覆更优的电化学性能。本工作通过NCM96前驱体与磷钨酸和氧化钨液相共混，烘干后混锂烧结实现氧化钨和磷钨酸包覆。研究结果表明，两种表面改性方法对超高镍三元正极材料首圈放电比容量影响都较小，且能有效改善材料的长期循环性能。对比两种改性材料的高温电化学性能，发现经磷钨酸包覆改性后的材料其高温循环性能优于氧化钨包覆改性，说明磷钨酸的P/W双元素改性优于WO₃的W单元素改性。

非质子锂-氧气电池具有高理论能量密度，在过去几年里受到了广泛关注。然而，动力学缓慢的氧还原反应（ORR）/氧析出反应（OER）和放电产物Li₂O₂导电性差导致锂-氧气电池过电位大，放电容量有限，循环寿命短。开发有效的锂-氧气电池正极催化剂可以调控放电与充电过程中Li₂O₂的形成和可逆分解，减小放电/充电极化。尽管提升ORR/OER动力学的正极催化剂已经取得了一系列重要进展，但是对正极在放电和充电中Li₂O₂生成和分解过程的理解依然是不足的。这篇综述聚焦于锂-氧气电池正极催化剂的最新进展，总结了催化剂与Li₂O₂生成/分解的作用关系，本文首先指出了锂-氧气电池正极面临的科学问题，包括动力学缓慢的ORR/OER过程和导电性差的反应产物Li₂O₂钝化电极，并提出了锂-氧气电池正极设计准则。通过对最近报道的正极催化剂进行分类讨论，明晰调控催化剂活性位点策略，理解在正极反应过程中不同催化剂的活性位点对反应中间产物的吸附状态，以及对Li₂O₂生成和分解的作用机制，评估了不同类型正极催化剂在锂-氧气电池的潜在应用。最后总结了锂-氧气电池正极催化剂依然存在的挑战，例如阐明正极催化剂活性位点与附着的Li₂O₂界面在充放电过程中的变化，并揭示了设计高效正极催化剂的决定因素，展望了通过光/磁协助、负极保护以及电解液设计等策略，进一步推动锂-氧气电池的应用。

本文系统地总结了近年来钠离子电池中硬碳负极材料的研究进展以及相应储钠机理的发展历程，并从结构设计和电解液调控两方面综述了硬碳材料性能的提升策略。简述了前驱体的选择、碳化温度、预处理、造孔剂、杂原子掺杂、材料复合、电解液调控以及预钠化等策略对硬碳负极材料储钠性能的影响。本文为高性能低成本硬碳材料的设计合成和电解液匹配提供了新的见解，并展望了未来硬碳负极材料进一步研发的方向。

锂金属和固态电解质在能量密度和安全性能上有巨大的提升潜力，被视为全固态电池的重要组成部分。具有高锂离子电导率（约10^-3 S·cm^-1）和高剪切模量（55 GPa）的无机石榴石型固态电解质被认为是理想的固态电解质之一，然而锂枝晶生长的问题依旧难以解决。在本文中，通过在石榴石表面蒸镀一层LiF-Sn复合修饰层，增加石榴石与锂金属的界面浸润性的同时构建了离子快速传输通道，阻挡了电子向石榴石体相的注入，有效地抑制了锂枝晶的生长。界面修饰层的存在使得界面阻抗由969 Ω·cm²降低至3.5 Ω·cm²，对称电池的临界电流密度提升至1.3 mA·cm^-2，对称电池在0.4 mA·cm^-2的电流密度下稳定循环200 h。

电极的性能是实现水系醌基氧化还原液流电池（AQRFBs）高能量效率的关键。本文采用尿素水热反应对石墨毡（GF）进行改性，同时研究了水热反应时间对氮掺杂石墨毡表面官能团和结构的影响。利用扫描电子显微镜（SEM）、比表面积及孔隙度分析仪（BET）、拉曼光谱（Raman）和X射线光电子能谱（XPS）对改性电极的表面形貌、比表面积、碳缺陷、元素含量和表面官能团进行了表征。然后，通过循环伏安法、电化学阻抗谱和单电池循环对改性电极的电化学性能进行了研究。结果表明，氮掺杂提高了石墨毡的比表面积、亲水性和电导率。氮掺杂石墨毡（NGFs）具有优异的电化学催化活性和较低的电荷转移电阻。与GF相比，在100 mA·cm^-2时，电池负极使用NGF-6电极后，醌基氧化还原液流电池的能量效率提高了8.0%。

锂金属具有高比容量和极低的电极电势,被视为下一代高能量密度电池的理想负极材料。然而,锂金属具有很高的活性,在循环过程中会形成锂枝晶,刺穿固态电解质膜（solid electrolyte interphases,SEI）,造成电池短路,引发一系列安全问题,上述缺点极大地阻碍了锂金属的商业应用。为了解决上述问题,理解SEI的结构及其形成原理具有重要意义。在本工作中,我们采用混合从头计算和分子动力学方法（hybrid ab initio and reactive molecule dynamics,HAIR）,研究了1 mol·L^-1 LiTFSI-DME（dimethoxyethane）和1 mol·L^-1 LiTFSI-EC（ethylene carbonate）两种电解质溶液在锂金属表面的界面反应机理,模拟结果表明,在LiTFSI-DME电解液中,TFSI阴离子优先分解,而DME未见分解,所以TFSI起到了保护DME的作用。但是在LiTFSI-EC体系中,两者均发生了分解,说明EC稳定性较差,不利于形成稳定的SEI,上述模拟结果为通过电解质理性设计开发高性能电解质溶液体系奠定了理论基础。

电解铜箔因其工艺简单、经济价值高,已广泛应用于印制线路板和锂离子电池领域。研究表明在电解制箔过程中,加入微量添加剂即可大幅度提高电解铜箔性能。因此, 在基础电解液（312.5 g·L^-1 CuSO₄·5H₂O,100 g·L^-1 H₂SO₄, 50 mg·L^-1 Cl^-）基础上,加入添加剂考察了电解液的电化学行为以及对铜箔表面形貌、结构以及性能的影响。实验选取了醇硫基丙烷磺酸钠（HP）、 水解蛋白（HVP）和N,N-二甲基硫代甲酰胺丙烷磺酸钠（DPS）作为组合添加剂, 利用扫描电镜（SEM）、 X射线洐射（XRD）以及电化学分析等方法,重点考察了组合添加中HP对铜箔表面形貌和物理性能的影响。研究结果表明,在组合添加剂体系中HP具有较强的去极化作用,可以加速铜核的生长,且具有增强铜（200）晶面的择优生长取向。HP与DPS、 HVP的协同作用可以进一步减小电解铜箔的晶粒尺寸,降低表面粗糙,提高铜箔力学性能和耐腐蚀性能。所制备的电解铜箔均匀致密,平均晶粒尺寸为29.2 nm、 平均粗糙度为 1.12 μm、 平均抗拉强度为399.5 MPa且耐蚀性能优越, 是锂离子电池负极集流体的理想材料, 具有较高的商业价值。

非亲核电解液被认为是新一代可用于镁离子电池的高稳定电解液。但由于电解液容易在镁金属表面产生不传导镁离子的钝化层,导致镁的电化学沉积/溶出过程在该电解液中表现出动力学缓慢、库仑效率较低等缺点。在本研究中,我们通过在非亲核电解液中引入二苯二硫醚(PDF)添加剂以实现对镁金属电极的界面调控。研究表明PDF产生的苯基硫醇盐中间体可以紧密结合在镁金属表面,并显著抑制了镁金属表面钝化层的生成。经界面优化后的镁金属电极的沉积-溶出库仑效率高达99.5%,并且表现出显著降低的过电位。利用此电解液,并以镁金属为负极、Mo₆S₇Se为正极构建的镁离子电池在室温下可稳定循环150周（0.1 C）。这类通过添加剂优化镁金属界面的策略也将有助于推进其他类型的镁离子电解液的实际应用。

金属锂作为电池的负极材料具有极高的比容量和极低的氧化还原电位,能够显著提升电池的能量密度。然而,金属锂负极在实际应用中所面临的主要问题是锂枝晶、界面副反应和电极体积变化大的难题。在本文中,我们提出了一种通过将定量的金属锂与三维骨架进行复合形成三维泡沫锂负极的策略,并利用三维泡沫锂来抑制锂枝晶的生长和缓解电极的体积变化。因此,三维泡沫锂电极有利于金属锂负极的高效利用,并能借助其与平面锂箔相比更高的比表面积和更多的反应位点来提升电池的倍率性能。因此,通过采用三维泡沫锂,对称电池的循环寿命和倍率性能都得到了有效的提升。EIS数据结果表明,三维泡沫锂能够减小对称电池的电荷转移阻抗。而且,将三维泡沫锂作为负极组装的LTO全电池,与锂箔作为负极相比,循环1000周平均放电比容量从65 mAh·g^-1提升至121 mAh·g^-1。