王春生團隊一周9篇頂刊!Nature Energy/JACS/Nano Letters等成果匯總

王春生是誰？如果你是研究二次電池方向的，你還不認識王春生教授的話，那你可能還沒有入門。要說電池界目前最火的課題組，那美國馬裡蘭大學的王春生老師組一定當仁不讓。

王春生現任美國馬裡蘭大學化學與生物工程系教授、ACS Applied Energy Materials副主編。迄今在Nature、Science、Nature Mater.、Nature Nanotechnol.、Nature Energy、Nature Chem.、Nature Commun.、PNAS、JACS、Adv. Mater.、Angew. Chem.、Joule等國際一流學術期刊上發表SCI論文260多篇，谷歌統計引用數 25790餘次，其中H-index為84，i10-index 為220。王春生老師課題組做了很多開創性的工作，尤其在水體系二次電池領域，包括水體系鋰離子電池用「Water-in-Salt」電解質開發，引入滷素轉換-嵌入化學助力水系LIBs電池，固態電解質中高的電子電導是鋰枝晶形成的根源，全氟電解質的開發等。王春生老師培養了一大批電池領域優秀學生，包括許運華（現天津大學 教授），朱禹潔（現北京航空航天大學 教授）索鎏敏（現中科院物理所 副研究員），郭居晨（現加州大學河濱分校 副教授），王飛（現麻省理工大學 博士後），範修林（現浙江大學百人計劃 研究員），陳驥（現Nanoramic電池公司）等。

小編每天都會跟蹤其課題組動態，近期更新頂刊9篇，其中6篇見刊。

王春生課題組網址：http://cswang.umd.edu/publications/ （下面是課題組網站近期發表文章）

Nano Letters：金屬鋰電池無機人造SEI自調節現象

在高能鋰金屬電池中，固體電解質膜是抑制鋰枝晶生長的關鍵。然而，人造SEI通常缺乏自我修復和自我調節能力，在循環過程中逐漸失去有效性。在這項工作中，王春生教授課題組報告了能夠有效抑制鋰枝晶的自調節現象，並使用原位光學顯微鏡和COMSOL多物理模擬進行了研究。在鋰/硫電池中，用lean electrolyte (10 μL mAh–1) 和 LiRAP-ASEI/LiM (2.5-倍 過量LiM) 進一步評價了自調節型SEI的有效性。而且，LiRAP@Cu∥sulfur@C電池展示出了在電流密度為11.5 mA cm-2下超過3000周的穩定循環。這種自調節現象為高能量密度鋰金屬電池的發展帶來了希望。

Self-Regulated Phenomenon of Inorganic Artificial Solid Electrolyte Interphase for Lithium Metal Batteries. Nano Letters, 2020, DOI: 10.1021/acs.nanolett. 0c01400. 

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.0c01400

這項工作為設計用於高性能室溫全固態鈉硫電池的混合導電複合正極提供了一種簡單的策略。通過將液相反應和機械研磨相結合，製造了具有3D分布的初級和次級離子/電子傳導網絡的S-Na3SbS4-C納米複合正極。該複合電極具有具有8.5×10-3 S cm-1的高電子電導率。在50 mA g-1時可提供1504.3 mAh g-1的高初始放電容量，室溫下的庫侖效率為98.5％。表現出出色的速率能力。即使在6.34和12.74 mg cm-2的超高正極負載下，S-Na3SbS4-C/Na電池在100 mA g-1時仍可分別提供742.9和465.6 mAh g-1的可逆放電比容量。該S-Na3SbS4-C/Na電池表現出迄今為止室溫全固態鈉硫電池的最佳倍率性能之一。

Bio-inspired Nanoscaled Electronic/Ionic Conduction Networks for Room-Temperature All-Solid-State Sodium-Sulfur Battery, Nano Today, 2020, DOI：10.1016/j.nantod.2020.100860. 

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S174801322030027X

高安全性、低成本、高容量的可充電鎂電池(RMBs)是鋰離子電池的理想替代品。然而，由於缺乏大功率、高能、穩定的正極，阻礙了RMBs的商業化。馬裡蘭大學王春生教授，武漢理工大學麥立強教授首次報導了一種環保型、低成本、可持續的鎂離子共價有機骨架(COF)正極。該正極表現出具有2.8 kW kg–1的高功率密度和146 Wh kg–1的能量密度。其在0.5 C時具有102 mA h g-1的初始放電容量，並且當電流密度分別增加到2 C和10 C時仍保持70％和52％的容量。此外，在5 C的高倍率下，在3000次循環中每個循環的緩慢容量衰減率僅為0.0196％，這是有機Mg電池最出色的循環穩定性之一。

Ruimin Sun, et al, A Covalent Organic Framework for Fast-Charge and Durable Rechargeable Mg Storage, Nano Lett., 2020. DOI：10.1021/acs.nanolett.0c01040 

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c01040

富鋰層狀氧化物正極在所有嵌入型正極材料中的理論能量密度最高，這引起了人們對高能量密度鋰離子電池的濃厚興趣。然而，由於氧的連續釋放、過渡金屬的不可逆遷移導致的結構重排以及正極與電解質之間的嚴重副反應，O3結構的層狀氧化物陰極具有較低的初始庫侖效率、嚴重的電壓衰減和較差的循環穩定性。作者通過使用穩定的O2結構的Li1.2Ni0.13Co0.13Mn0.54O2和全氟化電解質來解決這些問題。該O2-LR-NCM在全氟電解液中首周庫倫效率高達99.82 %，平均庫倫效率>99.9%。具有高達278 mAh/g的可逆容量，且100周後容量保持率達83.3%。該文表明：電解質和正極結構的協同設計是穩定高能正極的有效途徑。

Structure and Interface Design Enable Stable Li-Rich Cathode, J. Am. Chem. Soc., 2020. DOI: 10.1021/jacs.0c02302

https://doi.org/10.1021/jacs.0c02302

Materials Today：非金屬鋰的鋰電池電解液設計

經過廣泛的努力，報導的最高鋰沉積/剝離庫侖效率(CE)為99.5%，但對於無鋰的鋰金屬電池(循環過程中所有的鋰金屬都來自正極)來說還是太低了。低CE是由於有機-無機SEI在碳酸鹽電解質中形成導致枝晶生長以及親鋰的銅集流體上非均勻的鋰沉積/剝離所致。在此，作者使用了一種親鋰鉍石墨共混物(Bi-Gr)襯底來取代親鋰銅集流體，以形成均勻的鋰成核，並形成了一種親鋰的富LiF 的SEI，而不是親鋰的富有機的SEI來抑制鋰枝晶的生長。分子動力學模擬結果表明，陰離子在2.0 M的LiPF6-四氫呋喃/ 2-甲基四氫呋喃電解液中優先還原生成富LiF-SEI。Bi-Gr襯底和2.0 M LiPF6-mixTHF電解液使Li負極達到創紀錄的99.83%的CE。這種Li成核生長的調節使得LiFePO4與非鋰金屬負極匹配的全電池在 >2.0 mAh cm -2的電流密度下穩定循環100周。這篇文章強調了同時進行襯底設計以改善鋰離子成核和電解質設計以促進富LiF-SEI生長的好處，從而為無鋰金屬鋰離子電池提供了一條有前途和實用的途徑。

Electrolyte design for Li metal-free Li batteries. Materials Today, 2020, DOI: 10.1016/j.mattod.2020.04.004. 

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1369702120301061

Nature Energy：富LiF新型電解液助力鋰合金負極

傳統碳酸酯電解液中形成的有機-無機SEI強度不夠適應大的體積膨脹。至今，電解液和添加劑方面的研究工作仍受限於對SEI設計原則的認知。王春生教授和美國陸軍研究實驗室的Oleg Borodin報導將2.0 M LiPF6溶解於體積比為1：1的四氫呋喃（THF）和2-甲基四氫呋喃（MTHF）的混合溶劑（mixTHF）中。新型電解液在合金負極表面形成了高模量的LiF-有機雙層界面相，其中LiF與合金負極具有高界面能，能夠很好地適應循環過程中鋰化合金的塑性變形。最終使得由微米尺寸Si、Al和Bi負極和商用LiFePO4及LiNi0.8Co0.15Al0.05O2正極配對的全電池實現100周循環。半電池中，面容量大於2.5 mAh cm-2的合金負極實現超300周的循環，並且首周庫倫效率（CE）大於90%，平均庫倫效率大於99.9%。

Electrolyte design for LiF-rich solid-electrolyte interfaces to enable high-performance microsized alloy anodes for batteries (Nature Energy, 2020, DOI: 10.1038/s41560-020-0601-1)

https://www.nature.com/articles/s41560-020-0601-1

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