教授簡介
提到高通量材料計算及材料基因組專家，少不了想起美國的Gerbrand Ceder教授。Ceder教授目前就職於加州大學伯克利分校和勞倫斯伯克利國家實驗室（課題組網站：https://ceder.berkeley.edu/research-areas/）。研究方向主要為高通量計算、數據挖掘、材料基因組計劃、鋰離子電池、鈉離子電池、多價電池、固態鋰離子導體和全固態電池等。已在包括Nature、Science、Nature Mater.、Nature Energy、Energy Environ. Sci.、Adv. Mater. 等雜誌上發表論文超過500篇，他引超過50000多次，H-index為114（截止2109年）。本文匯總了Ceder教授課題組近期在國際頂刊上發表的部分成果，一起來看看大佬的研究風向。
01
Science: 鈦酸鋰的快充機理
快充電池通常採用的是能夠通過固溶體轉變連續容納鋰離子的電極材料，因為除去離子擴散，固溶體轉變具有更低的動力學能壘。但是有一個例外是鈦酸鋰（Li4Ti5O12），該負極表現出非凡的倍率性能，明顯與其兩相反應和兩相中的慢Li擴散不符。Ceder教授聯合布魯克海文國家實驗室的王峰教授（共同通訊）採用原位電子能量損失譜實時追蹤Li+遷移，揭示了Li4+xTi5O12中Li的有利傳輸是由沿亞穩態中間相內畸變Li多面體兩相邊界的動力學路徑實現的。該工作闡述了高倍率性能可以通過基態以上能量圖譜實現，這與基態宏觀相的動力學機理完全不同，為未來高倍率電極材料的搜索提供了新的機遇。
傳送門：Gerbrand Ceder&王峰最新Science：看鈦酸鋰如何實現鋰電快充
Kinetic pathways of ionic transport in fast-charging lithium titanate.Science,2020, 367, 1030-1034. https://doi.org/ 10.1126/science.aax352
02
Nature Materials：材料合成過程中熱力學與動力學間的博弈關係
在無機材料合成過程中，反應常常產生非平衡動力學副產物，而不是熱力學平衡相。所以，理解熱力學和動力學之間的競爭關係是實現目標材料定向合成的基本步驟。Ceder教授聯合勞倫斯伯克利國家實驗室/密西根大學的Wenhao Sun博士（共通通訊）採用原位同步X射線衍射研究了雙層（P2）鈉氧化物Na0.67MO2（M=Co，Mn）的多級結晶路徑。在形成平衡雙層P2多形體之前，能夠觀察到了一系列亞穩三層O3、O3』和P3相的快速非平衡相轉變。於是提出了一個理論框架以合理化所觀察到的相變化，說明儘管P2是平衡相，粉末前驅體間的組分無約束反應有利於非平衡三層中間相的形成。這些見解可以指導陶瓷材料固態合成中應用的前驅體和參數的選擇，推動了熱力學和動力學複雜相互影響的揭露。
傳送門：最新Nature Materials：材料合成過程中熱力學與動力學間的博弈關係
The interplay between thermodynamics and kinetics in the solid-state synthesis of layered oxides.Nature Mater.,2020. DOI：10.1038/s41563-020-0688-6
03
Nature Energy: 部分有序鋰離子正極材料的超高功率和能量密度
可充電電池的快速市場發展需要高功率、高能量且原料豐富的電極材料。Ceder教授（通訊作者）課題組發現結合部分類尖晶石陽離子有序化和豐富的鋰過量能夠同時實現密室切快速的能力存儲。其中，陽離子過計量比及其導致的部分有序化用來減小有序尖晶石特有的相變，獲得更高的實際容量。而鋰過量協同氟摻雜用於創建高的鋰遷移率。採用本文策略，最終材料實現了高於1100 Wh kg-1的比能量，放電倍率高達20 A g-1。更重要的，由廉價錳獲得的正極材料展示出了一個稀有的現象：優異倍率性能與可逆氧氧化還原活性共存。該工作證實了介於有序和無序結構之間的正極材料的巨大潛力。
傳送門：Ceder教授Nature Energy：1100Wh/Kg，結構介於完全有序與無序之間的經濟型鋰電正極
Ultrahigh power and energy density in partially ordered lithium-ion cathode materials.Nature Energy,2020. DOI:10.1038/s41560-020-0573-1
04
Nature Reviews Materials：理解固態電池中的界面穩定性
相比傳統鋰離子電池，固態電池採用固態電解質（SSBs）能夠提供更好的安全性、更高的能量和功率密度。目前SSBs的發展還存在兩大關鍵瓶頸：高離子電導率和穩定界面。儘管第一個目標在許多固態離子導體中已經實現，但許多固/固界面處的高阻抗仍然極具挑戰。Ceder教授（通訊作者）課題組綜述了各類固態電解質的實驗發現，並將其與理論計算預測結果相關聯。旨在深入理解固態電池中的界面反應，為未來的界面設計工作提供思路。
傳送門：Ceder團隊Nature Reviews Materials綜述丨用理論計算理解固態電池的界面穩定性
Understanding interface stability in solid-state batteries.Nat. Rev. Mater.,2020. DOI：10.1038/ s41578-019-0157-5
05
Advanced Energy Materials：鈉離子電池高能NASICON型正極材料
過去十年，鈉離子電池作為鋰離子電池的低成本替代品在大規模電網存儲應用中得到了廣泛的研究。然而，高能正極的開發仍然是一個主要的挑戰。具有聚陰離子框架的材料，如分子式為NaxM2(PO4)3的Na超離子導體（NASICON）結構正極，因為它們的穩定3D晶體結構和高運行電位吸引了相當大的關注。Ceder教授聯合美國三星研究院Yan Wang（共同通訊）報導了一種新型NASICON型化合物Na4MnCr(PO4)3，利用高電壓Mn2+/3+（3.5 V）、Mn3+/4+（4.0 V）和Cr3+/4+（4.35 V）的過渡金屬氧化還原放電，比容量高達130 mAh g-1。此外，Na4MnCr(PO4)3還展示了高倍率性能（5C時97 mAh g-1）和優異的全溫度性能。原位X射線衍射和同步X射線衍射分析揭示了充放電過程中材料的可逆結構變化。
A high-energy NASICON-type cathode material for Na-ion batteries.Adv.Energy Mater.,2020. DOI：10.1002/aenm.201903968
06
Adv. Energy Mater.：無序巖鹽型鋰離子電池正極中氟化對鋰傳輸和短程有序的影響
無序巖鹽（DRX）鋰離子電池正極材料具有高能量密度，而且不依賴有限礦產資源。氟摻雜是提高其循環壽命和能量密度的關鍵促成因素。由於Li-F的強相互作用，F預計也會改善材料中短程陽離子有序，對Li離子傳輸很重要。Ceder教授（通訊作者）課題組結合密度泛函理論和蒙特卡羅模擬計算研究了DRX材料中Li-F短程有序對Li滲濾和擴散的影響。模擬結果顯示F摻雜常常在足夠高濃度時有益，甚至能促成無Li過量化合物中的滲濾，使其能夠結合更多的過渡金屬氧化還原容量，更高的能量密度。當F含量小於15%時，其作用是有益還是有害依賴於無氟氧化物中固有的短程有序結構。採用大量仿真能夠得到一個顯示過渡金屬容量、Li傳輸和合成可實現性間權衡的圖譜。
Effect of fluorination on lithium transport and short-range order in disordered-rocksalt-type lithium-ion battery cathodes.Advanced Energy Materials,2020. DOI：10.1002/aenm.201903240