石墨作为锂离子电池的商业负极材料，由于其高丰度、低成本和低电位的优势，在钾离子电池中也显示出了巨大的潜力。然而，钾离子半径(0.138 nm)远大于锂离子半径(0.076 nm)，充放电过程中钾离子的插层易使石墨结构破坏，导致明显的容量衰减和不稳定的循环寿命。在这里，我们用简单有效的微波方法高效还原石墨烯，设计了石墨负极的稳定界面。微波还原可以在10 s内有效地去除氧化石墨烯的氧基，这一点得到了X射线光电子能谱(XPS)的证实。石墨烯不仅可以缓冲石墨的体积膨胀以抑制结构崩塌，还可以加速电子传输以提高倍率性能。石墨烯包覆石墨的复合负极(GCG)表现出超长的循环稳定性，在3000次循环后容量依然262 mAh∙g⁻¹。与石墨相比，GCG的倍率性能也更加优异(500 mA∙g⁻¹的电流密度下容量为161.2 mAh∙g⁻¹)。在相同的电流密度下，石墨在150次循环后容量低于150 mAh∙g⁻¹。进一步的电化学阻抗(EIS)和恒电流间歇滴定(GITT)测试表明，与石墨相比，GCG表现出更快的电导率和离子扩散速率。循环后的拉曼光谱、扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)图像验证了石墨烯作为缓冲界面有利于电极结构的完整性和固体电解质膜(SEI)的稳定性。这项工作为钾离子电池的大规模应用提供了新的希望。

A 3D nitrogen-doped graphene/multi-walled carbon nanotube (CS-GO-NCNT) crosslinked network material was successfully synthesized utilizing chitosan and melamine as carbon and nitrogen sources, concomitant with the incorporation of multi-wall carbon nanotubes and employing freeze drying technology. The material amalgamates the merits of 1D/2D hybrid carbon materials, wherein 1D carbon nanotubes confer robustness and expedited electron transport pathways, while 2D graphene sheets facilitate rapid ion migration. Furthermore, the introduction of nitrogen heteroatoms serves to furnish additional active sites for lithium storage. When served as an anode material for lithium-ion batteries, the CS-GO-NCNT electrode delivered a reversible capacity surpassing 500 mAh·g^-1, markedly outperforming commercial graphite anodes. Even after 300 cycles at a high current density of 1 A·g^-1, it remained a reversible capacity of up to 268 mAh·g^-1.

通过将纳米Bi颗粒与三维多孔碳(3DPC)材料复合制备得到Bi/3DPC复合材料，有效提高了Bi的电化学性能。3DPC作为碳框架能缓冲充放电过程中Bi的体积膨胀以及提升材料导电性，且其微孔和介孔能够增加材料的比表面积，为吸附钠离子提供活性位点。Bi和3DPC发挥协同效应，在钠离子电池中展现出良好的倍率性能和长期循环稳定性。在5 A·g^-1的电流密度下，Bi/3DPC在循环1 000圈后仍保持268.52 mAh·g^-1的比容量。

明胶是动物结缔组织中的胶原蛋白经过适度水解得到的高分子材料，其具有溶胶-凝胶可逆性。本实验借助明胶的溶胶-凝胶可逆性以及果汁中富含的金属离子，制备了明胶果冻电解质材料和系列电解反应的科普简易装置。通过趣味性教学展示和适宜于大众直接参与动手的简易实验，使大众深入了解水果电池的根本原理以及金属离子在明胶内部被固化溶液环境中的运动转移特性，进而认识普通电池工作的内在机制。本科普实验不但将凝胶电解质材料在能量储存和转化方面的巨大优势充分展现在大众面前，促进公众对天然大分子和电解质科学的了解、提高科技创新认知以及激发他们的科学兴趣，具有极高的社会价值。本科普实验所用材料价廉易得且绿色环保，实验过程没有安全隐患，达到用大众熟悉的材料创新性地实现普及科学知识之目的。

本文研究了杂多酸对储氢材料的催化效应，通过机械球磨法制备MgH₂-xH₃PW₁₂O₄₀ (x = 7%、10%、13%，质量分数)复合物样品，与纯的球磨MgH₂对比，展示了杂多酸H₃PW₁₂O₄₀对MgH₂储氢动力学的提升作用。其中，MgH₂-10H₃PW₁₂O₄₀的放氢活化能比纯MgH₂降低了46.23 kJ∙mol⁻¹，可在250 ℃、1 min内吸收6.25%的氢，在300 ℃、15 min内释放6.54%的氢气，而同等温度下MgH₂在30 min内仅释放1.2%氢。即使是在较低的温度100 ℃，MgH₂-10H₃PW₁₂O₄₀也可在1 h内吸收5%的氢，而MgH₂只能吸收0.9%的氢。结构表征结果表明H₃PW₁₂O₄₀分子在球磨和储氢过程中被转变为WO₃和W簇，其作用一方面是催化Mg―H键、H―H键的断裂，另一方面是促进MgH₂颗粒在球磨过程中细化并抑制其团聚长大。该研究开创了多酸分子在储氢领域的催化应用。

高能量密度、高功率密度的“双高”锂离子电池(LIBs)的实现依赖于创新突破高容量、高倍率及长循环寿命电极材料。插入型负极，以d⁰过渡金属氧化物为代表，含有强金属-氧键，表现出高循环稳定性和高倍率性能。然而，由于金属离子变价较少，其比容量相对较低。转化-合金型负极，以p区金属氧化物为代表，具备高理论比容量，但嵌锂过程中的相团聚和体积膨胀易导致容量快速衰减和倍率性能不佳。通过引入插入型或转化型功能基元构建双金属氧化物负极，可以优化电极中的电子/离子传导，从而改善循环性能和倍率性能，有望实现负极材料高容量、高倍率及长循环的统一。本文通过对各类金属氧化物中的化学键及电子结构特征进行分析，并提出一种新的图示表达方式，将负极锂离子插脱嵌的电化学反应储能过程表达为态密度(DOS)图示。文章阐述了双金属氧化物负极的多步储锂机制，并结合近期相关研究进展，为发展高容量、高倍率及高稳定的双金属化合物负极提供理论参考和实践依据。

有机电极材料因其成本低、资源丰富、环境友好、可设计性等优势，成为具有发展潜力的二次电池候选电极材料。目前，种类丰富的有机电极材料已应用在各种金属离子电池体系，然而有机电极材料的商业化应用仍面临着诸多挑战，如本征电导率低、在有机电解液中溶解度大、放电电位低等。针对有机电极材料的技术瓶颈，大量研究聚焦在有机电极材料结构、工艺、尺度等改性优化方面。本文回顾有机电极材料的发展历程和应用，并总结其分类、反应机理及主要问题和挑战，进而详细综述有机电极材料已报道的改性策略，包括分子结构修饰、复合导电碳、纳米尺寸优化、电极-电解液耦合与制备工艺优化等方法，分析各改性方法优势和局限性，最后对未来有机电极材料改性研究方向进行展望，为今后有机电极材料的设计与研究提供参考。

通过碱处理，优化了硅藻土(DIA)的孔隙结构，提高了孔隙率，增加了石蜡(paraffin)负载量。通过直接浸渍法制备了新型性状稳定的石蜡/碱改性DIA/膨胀石墨(EG-alDIAP)复合材料，并研究了其结构与性能的关系。结果表明，复合相变材料的石蜡负载量从47.4%提高到了61.1%，进而提高了复合材料的储热性能；向改性DIA中添加膨胀石墨(EG)提高了复合材料的传热能力，添加质量分数10% EG时导热系数提高了113%(从0.276 W·m^-1·K^-1提高到了0.589 W·m^-1·K^-1)。随着EG含量的升高，复合相变材料的相变潜热有所增加，但化学相容性、稳定性等无明显变化。含10% EG的石蜡/碱改性DIA复合材料具有可靠的储能性能、良好的温度调节性能和蓄放热能力。

大比表面积活性炭的密度普遍较低、体积储能性能不佳，难以满足超级电容器的小型化发展需求。针对此，本工作提出在活化前对炭前驱体进行机械压实以提高活性炭密度的普适性方法，并研究了机械压实对由外而内活化(炭粉/KOH混合物)和均匀离子活化(热解含钾盐类)所制备活性炭的比表面积、孔结构和电容储能性能的影响规律。结果表明，对前驱体进行机械压实能够提高活化反应效率、活性炭密度和体积电容储能性能。随着机械压力升高，由外而内活化所得活性炭的比表面积和孔隙率先升高后降低，原因在于机械压实能够消除颗粒间的空隙以增加前驱体与活化剂之间的接触，进而显著提高了活化效率。对于均匀离子活化，活性炭的比表面积和孔隙率呈现先降低后升高的趋势，这可能是由于致密前驱体抑制了热解过程中产生的活性气体分子(H₂O、CO₂等)快速散逸，使之继续参与活化反应，提高了活化刻蚀效率。本工作为大比表面积和高密度活性炭的设计制备提供了简单思路。

铁硫化物因其较高的理论容量，被认为是一种很有前途的钠离子电池负极材料。然而，铁硫化物在充放电过程中存在较大的体积变化，导致其倍率性能和稳定性较差。本文通过简单的一步法策略，制备了一种具有三维簇状结构的硫掺杂碳包覆的Fe_0.95S_1.05纳米球(Fe_0.95S_1.05@SC)，并研究了其储钠性能。硫掺杂碳层可提高材料的导电率，缓解Fe_0.95S_1.05纳米球在反应过程中产生的体积膨胀，故提升了材料的稳定性。Fe_0.95S_1.05@SC的相互贯通的簇状结构，为电子和离子的传输提供了通道，使材料具备优异的倍率性能。在半电池体系中，Fe_0.95S_1.05@SC在0.1 A∙g⁻¹下循环100圈后，保留614.7 mAh∙g⁻¹的高比容量，10 A∙g⁻¹下比容量仍可以达到235.7 mAh∙g⁻¹。在全电池体系中，在0.1和10 A∙g⁻¹时，Fe_0.95S_1.05@SC的可逆容量分别为482.8和288.3 mAh∙g⁻¹。该材料具有良好电化学性能，在钠离子电池中具有广阔的应用前景。