“三人两诺奖，科研三巨擘”之“锂离子电池之父”、“石墨烯之父”、“染敏太阳能电池之父”

一、“锂离子电池之父”-John B. Goodenough

John B. Goodenough，著名电化学家，2019年诺贝尔化学奖获得者之一，被誉为“锂电池之父”。他是钴酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂三种最重要的锂离子电池正极材料的发明人，为锂离子电池的发展做出了不可磨灭的贡献。他是这一领域的奠基人。目前，Goodenough任美国德州大学奥斯汀分校，机械工程系终身教授。他是著名固体物理学家，主要通过研究化学、结构以及固体电子/离子性质之间的关系来设计新材料解决材料科学问题。Goodenough教授主要的研究方向有：锂离子电池、燃料电池、氧渗透膜以及过渡金属氧化物。主要进行能量储能和转换材料研究，开发了中温固态氧化物燃料电池和氧渗透膜。同时也在从事合成新型陶瓷材料相关的工作，并进行化学和结构表征，以及高温、高压、元素分析。除此之外，Goodenough教授还从事高温超导超、电子由局部变为流动时的超巨磁阻现象的机理研究。Goodenough教授发现的三种正极材料钴酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂是他所做出的最杰出的成就，这奠定了现代社会广泛使用的锂离子电池的基础，堪称一代伟人。没有他，我们现在所使用的手机电池，不过是一个“行走的炸药包”而已。英国科学院院士Peter G. Bruce等人认为John B. Goodenough教授的科学成就足以获得两次诺贝尔奖。97岁高龄获得诺贝尔奖的John B. Goodenough教授也成为历史上最年长的诺贝尔奖获得者。

近期代表性成果：

1、Angew：增强表面相互作用可实现氧化物/聚合物复合电解质中的快速Li⁺导电

美国德克萨斯大学奥斯汀分校的John B. Goodenough教授团队向聚环氧乙烷中引入了两种商业化的Li⁺绝缘氧化物萤石Gd_0.1Ce_0.9O_1.95（GDC）和钙钛矿La_0.8Sr_0.2Ga_0.8Mg_0.2O_2.55（LSGM）来研究两种氧化物/聚环氧乙烷（PEO）基聚合物复合电解质；两种材料的整体和颗粒表面上的氧空位能增加氧化物表面与聚合物中Li-盐的阴离子之间的相互作用，从而促进Li⁺离子的迁移率并增强Li⁺导电性。密度泛函计算（DFT）显示了锂盐的TFSI阴离子与无机填料表面之间形成键。GDC与LSGM相比，与TFSI阴离子的相互作用更强。随着GDC或LSGM的引入，Li⁺在A1和A2位点的分布发生了变化。当流动的A2环境中的Li⁺含量增加时，复合电解质的Li⁺电导率得到改善。在具有不同阴极的全固态锂金属电池中，每种复合电解质均显示出稳定的循环和良好的性能。

文献链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201914478

2、ACS Energy Lett.：将传统有机电解质升级为未来的锂金属电池：纳米SiO₂负载的分层凝胶聚合物电解质

美国德克萨斯大学John B. Goodenough与西安交通大学唐伟、李明涛等人报道了一种纳米SiO₂负载的凝胶聚合物电解质，该电解质是通过原位凝胶化功能改性的SiO₂层上负载的有机液体电解质制成的。SiO₂-GPE表现出高离子电导率，出色的热稳定性和宽的电化学窗口。由于电极和SiO₂-GPE之间的界面电阻低以及对Li枝晶的有效抑制，因此LFP/SiO₂-GPE/Li电池在200次循环后显示出162.9 mAh g^-1的高放电容量。这项工作展示了一种解决锂金属与传统液体电解质之间的界面问题的新策略，可能使有机电解质系统向下一代高能量密度锂金属电池发展。

文献链接：

https://doi.org/10.1021/acsenergylett.0c00412

3、AFM：原位形成Li₃P层可实现跨Li/固体聚合物电解质界面的快速传导

美国德州大学奥斯汀分校John B. Goodenough教授团队和北京理工大学金海波教授等人通过在制备过程中向聚合物电解质膜中添加黑磷，使得锂金属/固体聚合物电解质界面上的Li₃P层会在循环时原位形成。该原位形成的层显著降低了锂金属/固体聚合物电解质的界面电阻以及全固态锂金属电池的总电阻。具有包含黑磷添加剂的聚合物电解质的电池的较低电阻极大地增强了电池的电化学性能，电池以较高的电流密度循环，同时提高了全固态锂金属电池的临界电流密度。

文献链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202000831

4、AFM：PEO基电解质对固态锂离子电池反应机理的研究

美国德州大学奥斯汀分校John B. Goodenough教授团队通过将DN较低的聚偏二氟乙烯（PVDF）被用作硫阴极中的粘合剂。结果，通过抑制PVDF聚合物形成多硫化物，可显着提高PEO基Li–S电池的循环性能。在循环过程中，未在PVDF涂层的硫阴极中生成长链多硫化物中间体，这表明硫直接转化为固体Li₂S₂/Li₂S。因此，固态Li–S电池在0.05 mA cm^-2和55°C下60个循环后可保持630 mAh g^-1的可逆放电容量。在基于PEO的固态Li-S电池中实现一步式“固-固”反应，为开发具有长循环稳定性的高性能Li-S电池提供了一条新途径。

文献链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202001812

二、“石墨烯之父”-Andre Geim

Andre Geim，英国曼彻斯特大学物理与天文学院教授。1958年10月出生于俄罗斯索契，拥有英国、荷兰双重国籍。1987年在俄罗斯获得博士学位，后在英国、丹麦继续研究工作。1994年，任荷兰奈梅亨大学副教授，并与康斯坦丁·诺沃肖洛夫首度合作。2001年，任曼彻斯特大学物理教授。2004年，与诺沃肖洛夫合作发现二维材料石墨烯，两人因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。获得诺奖后，海姆又获得了荷兰和英国册封的骑士头衔。职业生涯中发表超过250篇顶尖文章，其中超过30篇发表于Nature、Science。超过20篇文章被引次数大于1000,其中4篇文章被引超过10000次。他也是世界上唯一一个同时获得过诺贝尔奖和搞笑诺贝尔奖的科学家，在获奖后接受采访时，安德烈•海姆说：“我昨晚睡得很香，因为我根本没有期望能拿奖。当有些人拿到诺贝尔奖后开始停止做科研，甚至停止做很多他该去做的事，并且其他方面的事物会缠绕着他很多年，这样他更不能专心工作。但对于我来说，我会像往常一样继续我的研究，认真工作，享受研究。” Andre Geim的故事还远没有结束，全世界的人都在盯着他，未来，他继续会带给我们惊喜与欢乐。

近期代表性成果：

1、Nature: 石墨烯的气体渗透性极限

英国曼彻斯特大学诺奖得主A. K. Geim教授团队使用小的石墨烯密封的单晶容器，研究发现无缺陷的石墨烯是不透水的，其精确度比之前的研究高出8-9个数量级。研究人员能够辨别出每小时只有几个氦原子的渗透，这个检测限也适用于除了氢的所有其他测试气体（氖、氮、氧、氩、氪和氙）。尽管氢分子比氦分子大，并且要经历一个更高的能量屏障，但它仍表现出明显的渗透。这异常的结果归因于两阶段的过程，涉及在高催化活性的石墨烯波纹处解离氢气分子，紧随其后的是吸附的氢原子以相对较低的活化能跃迁到石墨烯片的另一侧。该研究工作为二维材料的抗渗性提供了一个关键的参考，从基础研究的角度和它们的潜在应用都具有重要意义。

文献链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2070-x

2、Nature Commun：单层石墨烯中的电子散射控制

英国曼彻斯特大学诺奖得主A. K. Geim教授团队通过使用具有原子层厚的门栅极介电层和原子层厚的金属栅极的设备，研究人员测量了石墨烯中电子的电子散射长度，并报告了与标准行为的定性偏差。仅在几纳米的栅极电介质厚度下，由屏蔽引起变化，该厚度比电子之间的典型间隔小得多。理论分析与从单层石墨烯中电子粘度的测量和石墨烯超晶格中Umklapp电子-电子散射的测量结果中得出的散射率非常吻合。该研究为将来在二维系统中实现多体研究提供了指导。

文献链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-15829-1

3、“染敏太阳能电池之父”-Michael Grätzel

Michael Grätzel，瑞士洛桑联邦理工学院界面与光子学实验室主任、国际著名科学家，主要从事有机太阳能电池和钙钛矿太阳能电池的研究；开创了介观材料系统中能量和电子转移反应领域的研究及其在能量转换系统中的应用，特别是光伏电池和光电化学装置，用于将水分解为氢气和氧气，以及通过太阳光减少二氧化碳。以及锂离子电池中的电力储存。并与BrianO' Regan教授共同发明了染料敏化太阳能电池，后来也被称为Grätzel电池。在国际学术期刊上发表论文1500多篇，包括Nature、Science、Nat.Nano.、Nat. Mat.、J. Am. Chem.Soc.、Angew.，Adv. Mater.等，论文已被引用超过了227000，H因子218，成为全世界论文引用次数最多的三位科学家之一；撰写了两部著作，拥有专利50多项。

近期代表性成果：

1、AM：23.5％效率！两性分子钝化用于制备高效稳定钙钛矿太阳能电池

瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）MichaelGrätzel教授和天津大学李祥高教授合作引入了一种经过精心设计的钝化剂，即4-叔丁基-苄基碘化铵（tBBAI），其庞大的叔丁基基团可防止由于空间排斥而产生的不利聚集。发现用tBBAI进行简单的表面处理可以显着加速从钙钛矿到螺-OMeTAD空穴传输剂中的电荷提取，同时阻碍了非辐射电荷载流子的重组。这将PSC的功率转换效率（PCE）从大约20％提高到23.5％，从而将磁滞降低到几乎无法检测到的水平。重要的是，tBBAI处理将填充因子从0.75提高到0.82的极高值，这与理想因子从1.72降低到1.34是一致的，证实了无辐射载流子重组的抑制。叔丁基还提供了疏水性保护伞，可保护钙钛矿薄膜免受周围水分的侵蚀。结果，在连续模拟太阳辐射下，在最大功率点跟踪下，全日照500小时后，PSC表现出优异的操作稳定性，可保留其初始PCE的95％以上。

文献链接：

https://doi.org/10.1002/adma.201907757

2、JACS：二维¹⁹F固态NMR光谱揭示通过双功能卤素键的混合钙钛矿太阳能电池的超分子调制

瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）MichaelGrätzel教授团队使用双功能调节剂1,2,4,5-四氟-3,6-二碘代苯（TFDIB），通过卤素键（XB）与杂化钙钛矿相互作用。研究人员通过结合密度泛函理论（DFT）计算使用二维¹⁹F固态NMR光谱作为工具来阐明其作用方式。钙钛矿太阳能电池的调制可在连续照明下提高稳定性，同时保持优异的光伏性能。这展示了通过XB在太阳能电池研究中进行超分子调制的潜力。该工作揭示了双功能XB在改善钙钛矿太阳能电池的稳定性和结构-性能关系方面的作用，从而为钙钛矿光电技术中的分子设计提供指导。

文献链接：

https://doi.org/10.1021/jacs.9b13701

3、Angew.:高效稳定的FA基钙钛矿太阳能电池

瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）MichaelGrätzel教授团队使用逐步退火方法，可以通过有效抑制δ-FAPbI₃非钙钛矿相的形成来稳定基于FAPbI₃的钙钛矿。通过利用MACl的催化活性以及分子定制的IBA₂FAPb₂I₇层的表面涂层，可达到接近23％的PCE，这是报道的基于纯FAPbI₃的PSC的最高值。这种2D涂层的PSC在80^oC的热应力下表现出优异的操作稳定性。该工作为稳定和提高基于FAPbI₃的钙钛矿的操作稳定性提供了一种有效方法，为未来PSC的工业化铺平了道路。

文献链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.202005211

本文由ecir供稿

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