梳理：王春生课题组最新研究进展精选

【人物介绍】

王春生现任美国马里兰大学化学与生物工程系教授、ACS Applied Energy Materials副主编。迄今在Nature、Science、Nature Mater.、Nature Nanotechnol.、Nature Energy、Nature Chem.、Nature Commun.、PNAS、JACS、Adv. Mater.、Angew. Chem.、Joule等国际一流学术期刊上发表SCI论文230多篇，被他引22000余次，其中H-index为80。研究工作主要集中在新型二次电池和燃料电池领域。王春生教授担任由马里兰大学、美国陆军实验室2家机构为主导联合成立的极限电池研究中心主任，同时该中心成员还包括美国国家标准与技术研究所，美国阿贡国家实验室、美国国家航空航天局、美国海军研究所、约翰霍普金斯大学、维吉尼亚理工大学、以及著名电池公司SAFT与其它机构或企业，在美国动力电池领域具有重大影响。

【研究进展】

Nature：引入卤素转换-嵌入化学助力水系LIBs电池

本研究报道了一种石墨中的卤素转化-嵌入化学，它形成的复合电极在4.2 V vs. Li/Li⁺电压下具有的容量为243mAh/g。实验表征和建模将这种高比容量归因于致密堆积的I级石墨插层化合物C_3.5[Br_0.5Cl_0.5]，该化合物可在双盐水溶液中可逆地形成。通过将此阴极与钝化的石墨阳极耦合，组成了一个4 V级的锂离子全电池，其能量密度可以达到460Wh/kg，并且库伦效率约为100％。这种阴离子转化-嵌入机制结合了转化反应的高能量密度，嵌入机制的出色可逆性和水性电池的更高安全性。

文章链接：Aqueous Li-ion battery enabled by halogen conversion–intercalation chemistry in graphite.Nature2019, 569, 245-250. (https://www_nature.gg363.site/articles/s41586-019-1175-6)

Nature Energy：非极性溶剂氟代电解液助力全温度区间电池

本报道作者通过将氟代碳酸酯电解液（LiFSI-FEC/FEMC或LiBETI-FEC/DEC）溶解到非极性稳定溶剂（四氟-1-（2,2,2-三氟乙氧基）乙烷（D2）或甲氧基全氟丁烷（M3））驯服了溶剂与锂离子之间的亲和力。该设计的电解液在-125至+70°C的宽温度范围内均显示出高离子电导率，在0.0-5.6V的宽电势窗内具有高电化学稳定性，并且具有高不可燃特性。即使在−85°C的超低温下，LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂||Li电池仍具有96mAh g^-1的容量，这是室温下可逆容量的50％以上。

文章链接：All-Temperature Batteries Enabled by Fluorinated Electrolytes with Non-Polar Solvents,Nature Energy2019, 882–890. (https://www.nature.com/articles/s41560-019-0474-3)

Joule：原位构建界面层实现无钴LiNiO₂电池的稳定循环

本文作者报道了含2％LiDFOB添加剂的氟代电解液可以使LiNiO₂（LNO）阴极具有更好的稳定性，在0.5C的充放电倍率下具有> 210mAh g^-1的高容量，并在400次深度循环后仍有80％以上的容量保持率，这归因于LNO表面上原位形成了富含氟化物（F）和富含硼（B）的CEI可以承受高容量LNO的大体积变化。与之形成鲜明对比的是，LNO在1M LiPF₆EC/DMC的电解液中仅有65％的容量保持率。同样，富F和富B的SEI也可以大大提高了锂和石墨阳极的循环稳定性和CE。考虑到稳定CEI和SEI带来的这些好处，这项工作为合理设计电解液以形成用于高能电池的稳定界面层提供了启示。

文章链接：Designing In-Situ-Formed Interphases Enables Highly Reversible Cobalt-Free

LiNiO₂Cathode for Li-ion and Li-metal Batteries,Joule2019, 3, 2550–2564. (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435119303794)

Nature Chemistry：锂离子电池中SEI的成分再认识

本研究作者描述了高产合成路线合成LEDC·2DMSO、LEMC和碳酸甲基锂（LMC）。使用FTIR，1D和2D溶液以及固态NMR光谱（¹H、¹³C和⁷Li）以及所有化合物的粉末X射线衍射（XRD）和单晶X射线研究对这些化合物进行了全面表征。此外，研究还表明LEMC是一种有利于Li⁺传输的离子导体，而LEDC和LMC并非如此。真实的EC/DMC衍生的SEI膜与合成模型化合物之间的光谱比较表明，SEI可能包含一个LMC封端的LEMC有机层，而传统人文的LEDC根本不可能存在于SEI中。

文章链接：Identifying the Components of the Solid–Electrolyte Interphase in Li-Ion Batteries.Nature Chemistry2019, 11, 789–796. (https://www.nature.com/articles/s41557-019-0304-z)

Chem：首次实现循环稳定的5.3V电池

首次通过设计的多功能电解液（0.02M LIDFOB+1M LiPF₆的FEC/FDEC/HFE）实现了LiCoMnO₄的理论容量的可逆循环。该电解液可以对阴极稳定至5.5 V，更重要的是，也对石墨和锂金属阳极稳定。由于锂金属（> 99％），石墨（> 99.9％）和LiCoMnO₄（99％）的极高CE，作者制备了5.3V的高压高能电池，其制成的5.3V锂金属电池（Li||LiCoMnO₄）的能量密度为720Wh kg^-1（基于阴极），比目前的电池化学能量密度高得多，在超过1000次循环后容量保持率>80％。同时，5.2V LIB（石墨||LiCoMnO₄）具有了能量密度为480Wh kg^-1（基于正极和负极材料），在100次循环后容量保持率大于90％。

文章链接：Achieving High Energy Density through Increasing the Output Voltage: A Highly Reversible 5.3 V battery,Chem2019, 5, 896–912. (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2451929419300385)

Joule：带锂化主体的高能锂金属电池

本报道作者使用硅作为模型电极来说明这种创新概念。Si是用于Li电镀/剥离的理想模型阳极，因为：（1）Si与Li具有牢固的结合力，并且具有0.3 V的合适脱锂电势。（2）Si的高容量（> 3000 mAh/g）可以有效地弥补Li的损失，从而确保较长的循环寿命，并且Li_xSi的反复浅层去锂化/锂化可以在Li_xSi表面产生纳米孔，从而增加表面面积，可以有效降低电流密度并使沉积的Li的体积变化最小。通过使用1M LiPF6 FEC/FDEC/HFE=2:6:2电解液以LiN_i0.8Mn_0.1Co_0.1O₂（NMC811）为阴极和锂化硅（Li_xSi）为阳极组装成的电池，结果表明Li_xSi/NMC811全电池可以在2.0mAh cm^-2的面密度下，能量密度为600 Wh/kg（阴极和阳极的总质量），并300次循环后具有90%的容量保持率。

文章链接：High-Energy Li Metal Battery with Lithiated Host.Joule2019, 3, 732-744. (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435118305749)

Nano Letter：通过位移反应实现高能量密度可充电镁电池

首次证明了与原始CuS纳米粒子形成的CuS二次微球组装成的软包电池可以通过置换反应在室温下完全可逆的工作。在前三个循环中，CuS/Mg软包电池可在0.5~2.2 V之间实现约400 mAh/g（理论容量的~71％）的高可逆容量，对应于约1042 Wh/L的体积能量密度（比LiCoO₂/石墨软包电池（491 Wh/L）高两倍以上），重量能量密度为608 Wh/kg。经过80次循环后，CuS/Mg软包电池在1.52 V的电压下具有约335 mAh/g的容量，对应于约872 Wh/L的体积能量密度，远高于Li-O₂和Zn-O₂电池的体积能量密度。通过力学和动力学研究，我们证明了CuS发生了置换反应，并且Cu的快速扩散有利于CuS的快速放大和缩小。

文章链接：High-Energy-Density Rechargeable Mg Battery Enabled by a Displacement Reaction,Nano Letter2019, 19, 9, 6665-6672. (https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.9b02963)

Nature Energy：固态电解质中高的电子电导是锂枝晶形成的根源

使用中子深度剖析（NDP）来研究LLZO和Li₃PS₄中枝晶形成的机制。通过监测Li沉积过程中LiCoO₂/LiPON/Cu、Li/LLZO/Cu和Li/Li₃PS₄/Pt电池的SE中锂浓度分布的动态演变，作者发现Li枝晶可以直接生长在LLZO和Li₃PS₄SEs内部，而在LiPON中未观察到枝晶形成。 LLZO和Li₃PS₄内部直接形成枝晶表明，高电导率可能是这些SE中枝晶形成的根本原因。

文章链接：High electronic conductivity as the origin of lithium dendrite formation within solid electrolytes,Nature Energy2019, 4, 187–196. (https://www_nature.gg363.site/articles/s41560-018-0312-z)

AdvancedEnergy Materials：通过坚固的固态电解质界面实现固态锂/硒-硫化学反应

通过合理的设计SEI直接替代传统的聚硫化物/聚硒化物形成硫包封的方法。在电化学循环过程中利用原位⁷Li NMR光谱和同步加速器X射线探针监测结果发现，在Se-S阴极表面原位形成的SEI层已将其锂化化学从常规的两步固相转变为一步固态锂化过程的液-固反应。通过高精度泄漏电流测量进一步证实，聚硫化物/聚硒化物的形成被显着抑制。因此，开发了具有优异电化学性能的无定形硒掺杂S_22.2Se/科琴黑色阴极。更重要的是，该工作还使得能够使用高孔体积（6 cc g^-1）的多孔碳（≈40 nm）作为高负载Se-S阴极（高达85 wt％）的有希望的基质材料，以增加电池体积能量密度。这项研究表明，合理设计SEI化学物质可以为高性能可充电电池系统的开发开辟新的途径。

文章链接：Solid‐State Lithium/Selenium–Sulfur Chemistry Enabled via a Robust Solid‐Electrolyte Interphase,Advanced Energy Materials.(https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.201802235)

AdvancedEnergy Materials：高氟代电解液用于Li-S电池

一种新的惰性助溶剂OFE被作为一种新型的醚基的电解液体系（LiFSI/OFE+DME）。通过调节这些基于OFE的电解液中OFE的体积百分比，可以有效地抑制Li-S电池的多硫化物穿梭。结果显示，含有1 M LiFSI/OFE+DME5电解液（4.56 g A^-1h^-1）的Li–S电池具有稳定的循环性能，在100 mA g^-1电流密度下循环150次后仍有775 mAh g^-1的容量。S阴极的平均CE高达99.2％，Li阳极的剥离/沉积CE高达99.3％，这表明多硫化锂的溶解和Li枝晶的生长得到了有效抑制。此外，1 M LiFSI/OFE+DME5电解液是不可燃，这对下一代安全高性能的Li-S电池的发展具有重要意义。

文章链接：High‐Fluorinated Electrolytes for Li–S Batteries,Advanced Energy Materials. (https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.201803774)

本文由夏天的白羊供稿。

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