【人物介紹】

王春生現任美國馬里蘭大學化學與生物工程系教授、梳理生課ACS Applied Energy Materials副主編。王春迄今在Nature、題組Science、最新Nature Mater.、研究Nature Nanotechnol.、進展精選Nature Energy、材料Nature Chem.、梳理生課Nature Commun.、王春PNAS、題組JACS、最新Adv. Mater.、研究Angew. Chem.、進展精選Joule等國際一流學術期刊上發表SCI論文230多篇，材料被他引22000余次，梳理生課其中H-index為80。研究工作主要集中在新型二次電池和燃料電池領域。王春生教授擔任由馬里蘭大學、美國陸軍實驗室2家機構為主導聯合成立的極限電池研究中心主任，同時該中心成員還包括美國國家標準與技術研究所，美國阿貢國家實驗室、美國國家航空航天局、美國海軍研究所、約翰霍普金斯大學、維吉尼亞理工大學、以及著名電池公司SAFT與其它機構或企業，在美國動力電池領域具有重大影響。

【研究進展】

Nature：引入鹵素轉換-嵌入化學助力水系LIBs電池

本研究報道了一種石墨中的鹵素轉化-嵌入化學，它形成的復合電極在4.2?V vs. Li/Li⁺電壓下具有的容量為243mAh/g。實驗表征和建模將這種高比容量歸因于致密堆積的I級石墨插層化合物C_3.5[Br_0.5Cl_0.5]，該化合物可在雙鹽水溶液中可逆地形成。通過將此陰極與鈍化的石墨陽極耦合，組成了一個4 V級的鋰離子全電池，其能量密度可以達到460Wh/kg，并且庫倫效率約為100％。這種陰離子轉化-嵌入機制結合了轉化反應的高能量密度，嵌入機制的出色可逆性和水性電池的更高安全性。

文章鏈接：Aqueous Li-ion battery enabled by halogen conversion–intercalation chemistry in graphite. Nature?2019, 569, 245-250. (https://www_nature.gg363.site/articles/s41586-019-1175-6)

Nature Energy：非極性溶劑氟代電解液助力全溫度區間電池

本報道作者通過將氟代碳酸酯電解液（LiFSI-FEC/FEMC或LiBETI-FEC/DEC）溶解到非極性穩定溶劑（四氟-1-（2,2,2-三氟乙氧基）乙烷（D2）或甲氧基全氟丁烷（M3））馴服了溶劑與鋰離子之間的親和力。該設計的電解液在-125至+70°C的寬溫度范圍內均顯示出高離子電導率，在0.0-5.6V的寬電勢窗內具有高電化學穩定性，并且具有高不可燃特性。即使在?85°C的超低溫下，LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂||Li電池仍具有96mAh g^-1的容量，這是室溫下可逆容量的50％以上。

文章鏈接：All-Temperature Batteries Enabled by Fluorinated Electrolytes with Non-Polar Solvents, Nature Energy?2019, 882–890. (https://www.nature.com/articles/s41560-019-0474-3)

Joule：原位構建界面層實現無鈷LiNiO₂電池的穩定循環

本文作者報道了含2％LiDFOB添加劑的氟代電解液可以使LiNiO₂（LNO）陰極具有更好的穩定性，在0.5C的充放電倍率下具有> 210mAh g^-1的高容量，并在400次深度循環后仍有80％以上的容量保持率，這歸因于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的大體積變化。與之形成鮮明對比的是，LNO在1M LiPF₆?EC/DMC的電解液中僅有65％的容量保持率。同樣，富F和富B的SEI也可以大大提高了鋰和石墨陽極的循環穩定性和CE。考慮到穩定CEI和SEI帶來的這些好處，這項工作為合理設計電解液以形成用于高能電池的穩定界面層提供了啟示。

文章鏈接：Designing In-Situ-Formed Interphases Enables Highly Reversible Cobalt-Free

LiNiO₂?Cathode for Li-ion and Li-metal Batteries, Joule?2019, 3, 2550–2564. (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435119303794)

Nature Chemistry：鋰離子電池中SEI的成分再認識

本研究作者描述了高產合成路線合成LEDC·2DMSO、LEMC和碳酸甲基鋰（LMC）。使用FTIR，1D和2D溶液以及固態NMR光譜（¹H、¹³C和⁷Li）以及所有化合物的粉末X射線衍射（XRD）和單晶X射線研究對這些化合物進行了全面表征。此外，研究還表明LEMC是一種有利于Li⁺傳輸的離子導體，而LEDC和LMC并非如此。真實的EC/DMC衍生的SEI膜與合成模型化合物之間的光譜比較表明，SEI可能包含一個LMC封端的LEMC有機層，而傳統人文的LEDC根本不可能存在于SEI中。

文章鏈接：Identifying the Components of the Solid–Electrolyte Interphase in Li-Ion Batteries.?Nature Chemistry?2019, 11, 789–796. (https://www.nature.com/articles/s41557-019-0304-z)

Chem：首次實現循環穩定的5.3V電池

首次通過設計的多功能電解液（0.02M LIDFOB+1M LiPF₆的FEC/FDEC/HFE）實現了LiCoMnO₄的理論容量的可逆循環。該電解液可以對陰極穩定至5.5 V，更重要的是，也對石墨和鋰金屬陽極穩定。由于鋰金屬（> 99％），石墨（> 99.9％）和LiCoMnO₄（99％）的極高CE，作者制備了5.3V的高壓高能電池，其制成的5.3V鋰金屬電池（Li||LiCoMnO₄）的能量密度為720Wh kg^-1（基于陰極），比目前的電池化學能量密度高得多，在超過1000次循環后容量保持率>80％。同時，5.2V LIB（石墨||LiCoMnO₄）具有了能量密度為480Wh kg^-1（基于正極和負極材料），在100次循環后容量保持率大于90％。

文章鏈接：Achieving High Energy Density through Increasing the Output Voltage: A Highly Reversible 5.3 V battery, Chem?2019, 5, 896–912. (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2451929419300385)

Joule：帶鋰化主體的高能鋰金屬電池

本報道作者使用硅作為模型電極來說明這種創新概念。Si是用于Li電鍍/剝離的理想模型陽極，因為：（1）Si與Li具有牢固的結合力，并且具有0.3 V的合適脫鋰電勢。（2）Si的高容量（> 3000 mAh/g）可以有效地彌補Li的損失，從而確保較長的循環壽命，并且Li_xSi的反復淺層去鋰化/鋰化可以在Li_xSi表面產生納米孔，從而增加表面面積，可以有效降低電流密度并使沉積的Li的體積變化最小。通過使用1M?LiPF6 FEC/FDEC/HFE=2:6:2電解液以LiN_i0.8Mn_0.1Co_0.1O₂（NMC811）為陰極和鋰化硅（Li_xSi）為陽極組裝成的電池，結果表明Li_xSi/NMC811全電池可以在2.0mAh cm^-2的面密度下，能量密度為600 Wh/kg（陰極和陽極的總質量），并300次循環后具有90%的容量保持率。

文章鏈接：High-Energy Li Metal Battery with Lithiated Host. Joule?2019, 3, 732-744. (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2542435118305749)

Nano Letter：通過位移反應實現高能量密度可充電鎂電池

首次證明了與原始CuS納米粒子形成的CuS二次微球組裝成的軟包電池可以通過置換反應在室溫下完全可逆的工作。在前三個循環中，CuS/Mg軟包電池可在0.5~2.2 V之間實現約400 mAh/g（理論容量的~71％）的高可逆容量，對應于約1042 Wh/L的體積能量密度（比LiCoO₂/石墨軟包電池（491 Wh/L）高兩倍以上），重量能量密度為608 Wh/kg。經過80次循環后，CuS/Mg軟包電池在1.52 V的電壓下具有約335 mAh/g的容量，對應于約872 Wh/L的體積能量密度，遠高于Li-O₂和Zn-O₂電池的體積能量密度。通過力學和動力學研究，我們證明了CuS發生了置換反應，并且Cu的快速擴散有利于CuS的快速放大和縮小。

文章鏈接：High-Energy-Density Rechargeable Mg Battery Enabled by a Displacement Reaction, Nano Letter?2019, 19, 9, 6665-6672. (https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.9b02963)

Nature Energy：固態電解質中高的電子電導是鋰枝晶形成的根源

使用中子深度剖析（NDP）來研究LLZO和Li₃PS₄中枝晶形成的機制。通過監測Li沉積過程中LiCoO₂/LiPON/Cu、Li/LLZO/Cu和Li/Li₃PS₄/Pt電池的SE中鋰濃度分布的動態演變，作者發現Li枝晶可以直接生長在LLZO和Li₃PS₄?SEs內部，而在LiPON中未觀察到枝晶形成。 LLZO和Li₃PS₄內部直接形成枝晶表明，高電導率可能是這些SE中枝晶形成的根本原因。

文章鏈接：High electronic conductivity as the origin of lithium dendrite formation within solid electrolytes, Nature Energy?2019, 4, 187–196. (https://www_nature.gg363.site/articles/s41560-018-0312-z)

Advanced?Energy Materials：通過堅固的固態電解質界面實現固態鋰/硒-硫化學反應

通過合理的設計SEI直接替代傳統的聚硫化物/聚硒化物形成硫包封的方法。在電化學循環過程中利用原位⁷Li NMR光譜和同步加速器X射線探針監測結果發現，在Se-S陰極表面原位形成的SEI層已將其鋰化化學從常規的兩步固相轉變為一步固態鋰化過程的液-固反應。通過高精度泄漏電流測量進一步證實，聚硫化物/聚硒化物的形成被顯著抑制。因此，開發了具有優異電化學性能的無定形硒摻雜S_22.2Se/科琴黑色陰極。更重要的是，該工作還使得能夠使用高孔體積（6 cc g^-1）的多孔碳（≈40 nm）作為高負載Se-S陰極（高達85 wt％）的有希望的基質材料，以增加電池體積能量密度。這項研究表明，合理設計SEI化學物質可以為高性能可充電電池系統的開發開辟新的途徑。

文章鏈接：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)

Advanced?Energy Materials：高氟代電解液用于Li-S電池

一種新的惰性助溶劑OFE被作為一種新型的醚基的電解液體系（LiFSI/OFE+DME）。通過調節這些基于OFE的電解液中OFE的體積百分比，可以有效地抑制Li-S電池的多硫化物穿梭。結果顯示，含有1 M LiFSI/OFE+DME5電解液（4.56 g A^-1?h^-1）的Li–S電池具有穩定的循環性能，在100 mA g^-1電流密度下循環150次后仍有775 mAh g^-1的容量。S陰極的平均CE高達99.2％，Li陽極的剝離/沉積CE高達99.3％，這表明多硫化鋰的溶解和Li枝晶的生長得到了有效抑制。此外，1 M LiFSI/OFE+DME5電解液是不可燃，這對下一代安全高性能的Li-S電池的發展具有重要意義。

文章鏈接：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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