电池领域大牛们近期顶刊成果集锦：南策文、杨勇、张强、郭玉国

清华大学南策文院士Science：超顺电弛豫铁电体中的超高能量存储

基于电介质的静电储能技术是先进电子和大功率电气系统的基础。最近，以纳米域为特征的弛豫铁电体作为具有高能量密度和高效率的电介质显示出巨大的应用前景。南策文院士带领其团队展示了具有超顺电设计的弛豫铁电薄膜的能量存储性能的显着增强。纳米域按比例缩小为几个单元的极性簇，几乎消除了极化切换滞后，同时保持了相对较高的极化。我们在超顺电钐掺杂铁酸铋-钛酸钡薄膜中实现了 152 J/cm³的超高能量密度，并显着提高了效率（在 3.5 MV/cm的电场下>90%）。相关研究成果以“Ultrahigh energy storage in superparaelectric relaxor ferroelectrics” 为题报道于Science期刊上。

原文链接：https://www.science.org/doi/abs/10.1126/science.abi7687

DOI: 10.1126/science.abi7687

厦门大学杨勇教授SA：可充电锂金属电池失效过程的定量分析

由于锂枝晶的连续形成、电化学隔离的锂金属以及固体电解质中间相（SEI）的不可逆形成，锂（Li）金属在高能量密度锂金属电池中的实际应用受到了阻碍。区分和量化这些非活性锂物质是了解失效模式的关键。该研究通过使用原位核磁共振 (NMR) 光谱结合非原位滴定气相色谱 (TGC) 和质谱滴定 (MST) 技术，为分别量化非活性锂金属和 SEI 的演变奠定了坚实的基础。测试出LiH的存在，导致这三种技术获得的非活性锂金属的定量结果存在偏差。对各种操作条件下非活性锂的形成进行了定量研究，揭示了锂金属的一般“两阶段”失效过程。该研究介绍的组合技术为揭示锂金属的复杂失效机制建立了基准。研究成果以“Quantitatively analyzing the failure processes of rechargeable Li metal batteries”为题报道于Sci. Adv.期刊上。

原文链接：https://www.science.org/doi/full/10.1126/sciadv.abj3423

DOI: 10.1126/sciadv.abj3423

厦门大学杨勇教授AEM：将缺陷与全固态电池中锂枝晶的形成和生长联系起来

沉积过程中锂金属的成核和生长以及相关的枝晶渗透是影响固态锂金属电池 (SSLB) 安全性和功率密度的关键和基本问题。然而，关于锂金属沉积/溶解，尤其是锂枝晶的形成和生长及其在全固态电化学系统中的决定因素的研究仍然缺乏。在这项研究中报道了锂金属生长过程的原位观察，以及阴极负载下缺陷诱导的异质沉积。利用原位扫描电子显微镜和电化学分析方法，获得并讨论了在电极|固体电解质界面沉积的锂的空间分布和形态演变。该研究表明，锂晶须的形成取决于局部锂离子通量和沉积活性位点，这与多晶电解质中缺陷的含量和类型密切相关。此外，缺陷区域表现出更快的锂沉积动力学和更高的成核趋势。这些结果可以促进对 SSLB 中锂渗透机制的基本理解。研究成果以“Linking the Defects to the Formation and Growth of Li Dendrite in All-Solid-State Batteries”为题报道于Adv. Energy Mater.期刊上。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.202102148

DOI: 10.1002/aenm.202102148

厦门大学杨勇教授AM：碳质纳米管中锂晶体包封和受限生长的机理探索

将锂封装在单个纳米胶囊内的密闭空间中很有趣，并且非常适合开发高性能锂金属负极。该项研究旨在对锂封装及其在一维封闭空间内的受限生长动力学进行机械理解。为了实现这一点，使用原位透射电子显微镜将无定形碳纳米管用作模型主体。碳壳具有双重作用，提供几何/机械约束和电子/离子传输通道，这极度地改变了锂的生长模式。Li 的生长/溶解是通过 Li⁺在表面添加/去除原子而发生的沿电场方向沿壳自由扩散，导致形成不寻常的锂结构，例如多晶纳米线和独立的二维超薄（1-2 nm）锂膜。这种受限的前向生长过程以锂 {110} 或 {200} 生长面为主，与纳米管外单晶锂枝晶的根生长不同。受控实验表明，通过足够的氮/氧掺杂或预锂化实现的高亲锂性/渗透性对于锂在碳质纳米胶囊内的稳定封装至关重要。基于第一性原理的计算表明，N/O 掺杂可以降低 Li⁺渗透的扩散势垒，并促进由与低能 Li/C 界面形成相关的能量最小化驱动的 Li 填充。相关研究成果以“”为题报道于Adv. Mater.期刊上。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.202105228

DOI: 10.1002/adma.202105228

清华大学张强教授AFM：FeNi基电催化剂的共协同钼酸盐氧代阴离子改性用于高效的析氧反应

催化协同作用是能量转换反应中未解决的活性描述符。清华大学张强教授带领其研究团队报告了通过协同增强的表面/界面相互作用，如界面电荷转移、表面中间体吸附、原位相变和气泡演化，用钼酸盐含氧阴离子改性的 FeNi 模型催化剂协同增强的固有析氧反应活性. 捕捉到这种协同作用揭示了氧去质子化到羟基氧化物状态的加速转变，即用 Fe 和 Ni 活性位点，Fe 和 Ni 局部微环境立即转变为 γ -FeOOH 和β-NiOOH 相，以及超快气泡生长和释放。在操作过程中，随着界面法拉第电阻的动态变化的减少，对加速的氧气泡演化动态进行了监测。这种协同的钼酸盐改性导致析氧周转频率增加十倍，以及提供 10 mA cm^-2和 1000 mA cm^-2相对于 FeNi 模型催化剂的过电位降低 55 mV 。该研究成果以“Cosynergistic Molybdate Oxo-Anionic Modification of FeNi-Based Electrocatalysts for Efficient Oxygen Evolution Reaction”为题发表于Adv. Funct. Mater.期刊上。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202107342

DOI:10.1002/adfm.202107342

清华大学张强教授JACS: 用于高性能锂硫电池的半固定化分子电催化剂

锂硫 (Li-S) 电池由于具有 2600 Wh kg^–1的超高理论能量密度，成为很有前景的下一代储能装置. 然而，具有复杂的均相和非均相电化学过程的多相硫氧化还原反应动力学缓慢，因此需要有针对性的高效电催化剂。该研究，设计了一种半固定化分子电催化剂来调整工作中的 Li-S 电池中硫氧化还原反应的特征。也就是说，卟啉活性位点共价接枝到石墨烯集流体上的导电和柔性聚吡咯连接体上。具有半固定化活性位点的电催化剂同时表现出均相和非均相功能，增强氧化还原动力学和调节相变模式。半固定化策略的效率在高能量密度Li-S软包电池中得到验证。这一贡献不仅提出了一种有效的半固定化电催化剂设计策略来提高 Li-S 电池的性能，而且还激发了面临类似多相电化学能量过程的电催化剂的发展。该研究成果以“Semi-Immobilized Molecular Electrocatalysts for High-Performance Lithium–Sulfur Batteries”为题发表于J. Am. Chem. Soc.期刊上。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.1c09107

DOI: 10.1021/jacs.1c09107

清华大学张强教授JACS Nano:锂离子电池二维材料的可用性识别框架和高通量筛选

二维材料（2D材料）由于其固有的离子通道和丰富的离子位点，在高性能锂离子电池材料中显示出巨大的优势。不幸的是，稀有的 2D 材料拥有满足复杂场景所需的所有属性。进一步丰富锂离子电池使用的二维材料数据库引起了广大研究者的兴趣。在这项研究中，研究者们基于二维材料识别理论扩展了锂离子电池的候选名单。更重要的是，提出了利用离子在二维材料上的吸附性和可逆性之间的竞争机制的可用性识别框架，以帮助更深入地筛选可行的二维材料。因此，预计包括 158 个阳极、21 个阴极和 36 个固体电解质在内的 215 种二维材料可用于锂离子电池。已识别的 2D 材料与已知材料之间的比较验证了该策略的可靠性。这项工作显着丰富了二维材料的选择，以满足各种电池需求，并提供了一种通用方法来评估未开发的锂离子电池二维材料的可用性。该研究成果以“”为题发表于ACS Nano期刊上。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.1c05920

DOI: 10.1021/acsnano.1c05920

中国科学院化学研究所郭玉国研究员AFM：基于 LixPO₄的有机磷混合固体电解质中间层使高性能锂金属电池的锂沉积均匀

锂金属因其最高的比容量和最低的电位而成为下一代可充电电池系统的有前途的阳极候选物。然而，低库仑效率（CE）和循环过程中锂枝晶的形成严重阻碍了其实际应用。该研究，基于使用植酸（PA）作为锂金属表面处理化学品的表面螯合策略，提出了一种有机磷混合柔性固体电解质中间相（SEI）层。与传统的 SEI 层不同，PA 和 Li⁺之间的多核复合物在这个SEI层中充当“连接器”，不仅保证了它的机械柔韧性，而且提高了它的亲锂性和离子电导率。凭借这些优势，在 0.5 mA cm^-2的电流密度下，Li || Cu电池在 500 次循环中表现出 99.0% 的高 CE 。Li || Li对称电池还可以在 10.0 mA cm^-2的高电流密度下保持稳定的锂电镀/剥离过程超过 2500 小时。此外，基于该策略的所有锂金属电池（Li || S、Li || NCM、Li || LFP 等）都表现出长循环寿命和高容量保持率。这种表面螯合策略被认为为制造稳定有效的 SEI 层提供了新的途径，以用于锂金属电池的实际应用。研究成果以“Organophosphorus Hybrid Solid Electrolyte Interphase Layer Based on LixPO4 Enables Uniform Lithium Deposition for High-Performance Lithium Metal Batteries”为题报道于Adv. Funct. Mater期刊上。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202107923

DOI:10.1002/adfm.202107923

中国科学院化学研究所郭玉国研究员JACS：用于实用高能锂金属电池的双电极通过原位非晶电极-电解质界面的协同屏蔽

固态锂金属电池为高安全性和高能量密度的储能系统提供了绝佳的机会。然而，旨在导致整体令人满意的界面稳定性的冗余界面改性层显着降低了实际能量密度。该研究，提出了一种双界面非晶正极电解质界面/固体电解质界面 CEI/SEI 保护 (DACP) 策略，以克服混合固液电池中电化学副反应和锂枝晶的主要挑战，同时不会通过 LiDFOB 和 LiBF₄原位协同转化牺牲能量密度。无定形 CEI/SEI 产品具有超低的质量比例，可作为动态屏蔽，协同加强具有保存完好的结构的双电极。因此，这种原位 DACP 层巧妙地调和了多种界面相容性和高能量密度。兼容修改策略为未来固态电池系统中实用接口的设计提供了一种有前途的方法。研究成果以“Cooperative Shielding of Bi-Electrodes via In Situ Amorphous Electrode–Electrolyte Interphases for Practical High-Energy Lithium-Metal Batteries”为题报道于J. Am. Chem. Soc.期刊上。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.1c08425

DOI: 10.1021/jacs.1c08425

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