诺奖得主“足够好”爷爷、崔屹等能源大佬领衔,带你盘点世界最顶尖锂电池研究团队


锂离子电池作为时下产业界和学术界最火热的主题之一,已成为全球经济低迷环境中一抹不可多得的亮点。锂电池的研究最早可以追溯到1912年,GilbertN. Lewis提出并研究了锂金属电池。1958年,Harris提出采用有机电解质作为锂金属电池的电解质,锂离子电池的研究从此进入快速发展的时代。从锂离子电池发展简史中可以看到, 1970年代是高能量密度的锂一次电池产业化应用和锂电池理论的一个爆发期,对锂电池的发展产生深远的影响。1980年代以Goodenough为代表的过渡金属氧化物为代表的锂离子电池正极材料的发展进入新的阶段,石墨负极也应运而生。而消费电子和动力电池对能量密度提升的需求,推动着正极材料向高电压方向不断迈进,负极材料则向Si负极、锂金属负极不断探索。接下来,本文带你盘点世界最顶尖锂电池研究团队以及他们的近期研究进展。

一、JohnB. 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Gd0.1Ce0.9O1.95(GDC)和钙钛矿La0.8Sr0.2Ga0.8Mg0.2O2.55(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

二、崔屹

 

1998年本科毕业于中国科技大学化学系。1998年就读于哈佛大学研究生院,师从查尔斯•理博(Charles M. Lieber)教授。2002年,进入加州大学伯克利分校,作为博士后研究员与保罗•阿里维萨托教授(Paul Alivisatos)共同工作。2005年,加入斯坦福大学材料科学与工程系,于2010年擢升为副教授并获得终身教职。他是《纳米学报》(《Nano Letters》)副主任编辑,同时也是由美国能源部投资支持的湾区光伏联盟的联合主任。崔屹教授的科研工作主要集中在纳米材料在能源存储,能源转化,光伏电池,拓扑绝缘体,能源环境以及生物质能等。迄今为止,崔屹教授课题组已累计在国际著名杂志Nature Nanotechnology, Nature Materials, Nature Chemistry, Nature Communications, Nano Letters等发表高水平论文200多篇,累计他引超过20000次。在产学研转化方面,崔屹教授也走在了世界前列。崔屹教授共同创办了Amprius公司,致力于将研究成果工业化,商品化。目前该公司已经推出了新一代锂离子电池,其续航时间,轻便程度和使用寿命也创下了历史新高。

近期代表性成果:

1、ACS Energy Letters:用冷冻扫描电子显微镜研究电池固体电解质中间相中氟化物种的纳米和介观非均质性

美国斯坦福大学崔屹教授等人使用cryo-(S)TEM,研究了Li金属的SEI中SEI物相(如LiF和Li2O)的空间分布。尽管通过XPS测量了氟化电解质体系的SEI中的LiF含量,但发现与负极材料相接的SEI不含LiF,这是通过cryo-HRTEM结合cryo-STEM EELS证实的。LiF可以作为间接SEI沉积在任何导电表面(包括集电器)上,并且稀疏沉积在Li金属上。由于LiF在电解质中的适度溶解性,LiF沉淀为直径大于100 nm的大纳米颗粒。集电器上LiF沉积物的存在可能在一定程度上有助于Li镀层的均匀性。氟化添加剂(例如FEC)的作用可能是由于它们在负极迅速脱氟并随后发生聚合反应,而不是仅由LiF的产生引起的。这些发现为跨尺度的SEI结构提供了新的视角。

文献链接:https://doi.org/10.1021/acsenergylett.0c00194

2、Chem. Soc. Rev.:可伸缩电化学储能装置

美国斯坦福大学崔屹教授和鲍哲南教授团队综述讨论了可拉伸电池和超级电容器技术的最新进展。与其他评论相比,该综述专注于使材料和设备可拉伸的各种策略。研究人员通过展示可以引入应变能力的不同方法,研究人员希望为科学家和工程师提供一个路线图,以使多种材料可拉伸。同时,研究人员还记录了这些设备的电化学性能,以便读者可以了解哪些策略有效地创建了高性能和高拉伸性的材料。

文献链接:https://doi.org/10.1039/D0CS00035C

3、Joule:高能量密度快速充电锂离子电池红磷纳米结构电极的设计

美国斯坦福大学崔屹教授、华中科技大学孙永明教授、清华大学王莉教授等人使用具有优化结构的红磷/碳纳米复合材料的电极显示出更好的容量保持能力,并且基于电极整体体积/质量计算,其比单位面积容量的商用石墨电极和钛酸锂电极具有更高的容量。此外,红磷/碳纳米复合材料负极在循环时具有稳定的循环和高的库伦效率,并具有高面积容量。由于其优越的电化学性能,易于制备且成本低廉,红磷/碳纳米复合材料将在具有高能量密度的高级快速充电LIB中具有重要的应用。

文献链接:https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(19)30046-7

三、PeterG.Bruce

  

Peter Bruce,英国皇家化学会会士,牛津大学Wolfson教授,世界知名的固态化学与电化学领域专家,曾出版专著《Solid State Electrochemistry》。研究方向横跨化学、材料和能源等领域,Peter Bruce教授是国际上锂-空气电池的开拓者之一,在2012年发表于Science的文章中发布了关于此类电池的稳定、可逆的运行报告,在世界范围内引领其发展。Bruce教授是英国牛津大材料系教授,皇家科学院院士,工程院院士,英国皇家化学学会外籍院士,已发表期刊论文400逾篇。Peter Bruce教授于2008年获得了皇家化学学会的蒂尔登奖,于2011年获得了电化学学会的卡尔·瓦格纳奖,于2016年获得了皇家化学学会的Liversidge奖,并于2017年获得了皇家学会的休斯奖章。在2015-2019年期间,Thomson Reuters / Clarivate Analytics也将其选为“高被引科学家”。除了指导固态电池和锂电池联盟之外,布鲁斯教授还是法拉第研究所(英国电化学储能研究中心)的创始人兼首席科学家。他还于2018年11月担任英国皇家学会(英国皇家学会)的物理秘书和副主席一职。

近期代表性成果:

1、Chemical Reviews:锂氧电池的潜力,现状和未来!

英国牛津大学Peter G. Bruce,以色列巴伊兰大学Doron Aurbach,韩国汉阳大学Yang-Kook Sun和加拿大滑铁卢大学Linda F. Nazar等人详细描述了该领域的重要方面:非均相电催化,氧化还原介体的均相电催化以及相关电解质溶液与在Li-O2电池中形成的高反应性氧部分的可能的副反应。特别注意最近发现的反应性单线态氧的作用,该反应性单线态氧是在超氧化锂与过氧化锂的歧化过程中形成的。本综述涵盖了以下方面:负极(包括寻找替代的,反应性较低的负极),正极和电解质系统,包括基于有机或离子液体的溶液和固态电解质(陶瓷和聚合物)。研究人员还描述了创新性实验,以开发对这些电池中的活性氧部分更稳定的新溶剂。此外,该综述还涵盖了基础科学方面的详细描述。研究人员还分析了Li-O2电池的挑战和前景,以及和Na-O2,K-O2和Mg-O2电池进行比较。

文献链接:https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.chemrev.9b00609

四、ClareP.Grey

 

Clare P. Grey 于1991年在牛津大学获得博士学位。目前是剑桥大学化学系教授,英国皇家学会院士,纽约州立大学石溪分校兼职教授。Clare P. Grey 已在国际一流刊物上发表期刊论文300逾篇。目前Grey教授是 Journal of American Chemical Society, Joule, Accounts of Chemical Research 等国际著名期刊的编委。Grey教授团队的主要研究工作集中在以下几个方向:锂离子电池技术,钠离子电池技术,新型锂空气电池,镁离子电池和固态电解质等前瞻科研领域。近年来,Grey教授在锂离子电池正极材料方面结合自身以及先进的表征技术的优势,在材料的表征及模拟方面开展了诸多研究。Grey 教授的研究重点是了解储能和转化材料的功能。在剑桥大学化学系,她使用包括固态核磁共振和衍射在内的多种技术,研究局部结构、动力学以及它们在控制技术上来说很重要但通常高度无序和复杂材料的物理特性方面所起的作用。Grey 教授开发了核磁共振方法用以检测电池和超级电容器运行过程中发生的结构变化,例如研究快速充电的影响和捕捉亚稳态。核磁共振技术也可以用来深入了解离子传导的机制。

近期代表性成果:

1、Nature:原位NMR测量揭示氧化还原液流电池的反应机理

英国剑桥大学Clare P. Grey教授等人通过两种原位NMR测量技术来研究液流电池。在两个基于AQ的氧化还原流动电池系统中直接观察到自由基和完全还原阴离子的形成,其中它们的平衡浓度受两个单电子转移氧化还原过程的电势控制。在特定循环条件下,能够观察到DHAQ4-分解为DHA3-/DHAL3-,但未观察到DBEAQ4-的分解。DHAQ4-在水介质中再氧化反应和析氢反应的实时观察表明,其他涉及溶剂水和或DHAQ4-降解副反应正在发生。同时,这些NMR技术使电解质分解和电池自放电能够被实时监测,并表明DHAQ是通过一种电化学反应分解的,这种反应可以通过限制充电电压来实现最小化,在理解液流电池中的氧化还原过程和其他电化学系统方面具有广泛的应用。

文献链接:https://doi.org/10.1038/s41586-020-2081-7

2、ACS Energy Letters:气体对金属锂负极循环性以及固态电解质界面形成的影响

英国剑桥大学Clare P. Grey教授等人证明了在存在也有助于在Cu基体表面上形成更均匀的含LiOH的SEI层,从而实现均匀的Li成核并改善后续的成核镀层剥离效率。虽然LiOH是SEI的主要成分,但提高性能的关键是在氧气(而不是水)存在下形成的SEI。在不存在氧气或其他添加剂的情况下,形成的异质性更强的SEI包含范围更广的物种,这会导致镀层不均匀和枝晶生长。因此,气体交换可以潜在地用作在锂金属负极中促进均匀SEI层的预处理方法。气体交换对SEI形成和整体电池性能的影响为将来的锂金属电池(包括实用的锂空气电池)中的电极制造提出了设计问题。
文献链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.0c00257

五、LindaF.Nazar

Linda F. Nazar,加拿大滑铁卢大学化学、电子及计算机工程教授,是一位世界电池领域的女杰出科学家,主要研究储能材料和固态电化学材料,2009 年曾经获得国际电化学会电池部研究奖,2010 年获得加州研究所摩尔杰出学者奖,2011 年获国际锂电池学会奖,2011 年获国际纯粹化学会化学工程杰出女性科学家奖,2011 年琳达·纳萨尔博士被评为加拿大皇家学会会员,2014 年入选汤森路透的高引作者。Linda F. Nazar的研究涵盖了电池领域的锂硫电池,锂空气电池,锂离子电池,钠离子电池,镁离子电池。同时也她有很多关于超级电容器和多孔材料的研究。其中她引用最高的一篇文章于2009年发表在Nature Materials上。锂硫电池最大的特点就是容量随便一做就能超过500-600,甚至上千,这是目前商业化的金属氧化物和LiFePO4远远不可比拟的。

近期代表性成果:

1、ACS Energy Letters:新型高电压卤化物固体电解质Li3-xM1-xZrxCl6

 加拿大滑铁卢大学的Linda F. Nazar团队开发了一种新型混合金属卤化物 Li3-xM1-xZrxCl6 (M = Y, Er)固体电解质,它在25°C下的离子电导率高达1.4 mS cm-1。而且在很高的电压下也能保持稳定。Zr取代后新的离子导电相演变的结果。最重要的是,这些氯化物SE的出色的电化学氧化稳定性直接在完整电池中得到证明,这使得可以使用未涂覆的4 V级阴极材料而没有任何明显的氧化界面分解。研究人员相信这些进展为ASSB的实用设计提供了重要参考。
文献链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.9b02599?ref=pdf

本文由eric供稿。

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