斯坦福崔屹教授2022锂电池研究汇总

一、研究方向

锂离子电池和超级电容器等储能设备对于便携式电子产品、车辆电气化和智能电网非常重要。纳米结构具有易于应变松弛、功率倍率提高的优点，但也对形成稳定的电极-电解质界面提出了挑战。崔毅教授团队致力于开发新型纳米结构材料，以解决与能量存储相关的关键性能参数，包括能量密度、功率密度、安全性、周期和寿命以及成本。目前正在开展以下项目：

1、锂离子电池纳米结构合金阳极：硅、锑、锡；

2、锂离子电池纳米结构阴极：金属氧化物、硫、氟化物和空气；

3、水性锂离子电池：电极材料和电解质；

4、纳米结构超级电容器和伪电容器：碳纳米管和多孔纳米线。

二、文献分析

1、为设计实用的锂硫电池制定能量密度

第一作者：Guangmin Zhou

通讯作者：崔屹

通讯单位：斯坦福大学材料科学与工程系

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41560-022-01001-0

锂硫电池因其高能量密度潜力而成为最有前途的储能系统之一，但该领域缺乏关键设计参数与电池能量密度之间的定量关联。通过对质量和能量的识别和分析，崔屹教授团队提出了电池能量密度与主要设计/性能参数(如硫负荷、正负电极容量比和基于硫的阴极比容量)之间的数学联系。文章建议，对于高能量密度Li-S电池来说，实现低电解液与硫的比率、低面积阳极容量与阴极容量的比率以及基于硫的高比容量是最优先考虑的。这篇文章总结了Ah级高能Li-S电池的发展现状。通过对这些参数的详细分析, 崔毅教授团队提出了“四高四低”的原理，这不仅符合能量密度定量方程，而且为高性能Li-S电池的开发提供了设计指导。这篇文章提出的能量密度计算和设计方法不仅适用于锂电池，而且可以推广到其他的能量储存和转换技术。

2、MoS2双分子层锂嵌入过程中间态的观察

第一作者：Yecun Wu

通讯作者：Harold Y. Hwang、崔屹

通讯单位：斯坦福材料与能源科学研究所

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-022-30516-z

通常认为MoS2的锂嵌入会引入从H相（半导体）到T相（金属）的相变。然而，在插层过程中，通常在完全插层的T相MoS2和非插层的H相MoS2之间形成空间尖锐的边界。中间状态，即没有相变的轻度插层H相MoS2，由于尺寸狭窄，很难通过基于光学显微镜的光谱进行研究。在这里，崔屹教授团队报告了整个扭曲双层MoS2薄片的中间状态的稳定。扭曲双层系统允许锂从顶部表面嵌入，并通过减少层间相互作用实现快速锂离子扩散。中间态的E2g拉曼模式显示出峰分裂行为，模拟结果表明，H相MoS2的锂诱导对称破坏稳定了中间态。这一研究结果为电池充电和放电过程中的非均匀嵌入提供了一个新的视角，也为在Moiré结构中掺杂客体物种调制扭曲2D系统的性能提供了新的机会。

3、锂金属电池用改性Li+溶剂化环境悬浮电解质

第一作者：Mun Sek Kim

通讯作者：崔屹

通讯单位：美国斯坦福大学材料科学与工程系

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41563-021-01172-3

为研制可靠的锂金属电池，在锂阳极上设计稳定的固体电解质界面是十分必要的。在此，崔屹教授团队报道了一种悬浮电解质的设计方案，它可以改变液体电解质中的Li+溶剂化环境，并在Li上创建富无机的固体电解质界面。Li2O纳米颗粒悬浮在液体电解质中证明进行研究是成功的。通过对Li2O悬浮电解质的理论和经验分析，阐明了Li2O在锂阳极液电解质和固电解质界面相中的作用。此外，悬浮电解质设计应用于传统和最先进的高性能电解质，以证明其适用性。通过电化学分析，该悬浮液提高了电池的库仑效率(高达99.7%)，降低了锂成核过电位，稳定了锂界面相，延长了电池的循环寿命(初始容量为80%，循环约70次)。这一设计原则和发现有望扩展到锂金属电池的电解质和固体电解质界面的开发中。

4、捕获锂金属电池中固体电解质间相的膨胀

第一作者：Zewen Zhang

通讯作者：Wah Chiu、崔屹

通讯单位：斯坦福大学材料科学与工程系

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.abi8703

尽管液固界面是广泛科学领域的基础，但由于现有工具在纳米尺度上同时访问液体和固体相的缺陷，表征这种微妙的界面仍然存在固有的困难。这导致电池系统中关键界面的结构和化学的理解存在巨大的差距。崔屹教授团队在该文中采用并改进了一种薄膜玻璃化方法，在原生液体电解质环境中保存电池中敏感而关键的界面，以实现低温电子显微镜和光谱学观测。稳重报道了各种电解质中金属锂阳极固体电解质间相(SEI)的大量膨胀。溶胀行为取决于电解质的化学性质，并与电池性能高度相关。SEI膨胀程度越高，电化学循环越差。

5、用于高能锂离子电池的硅阳极上的石墨烯涂层

第一作者：Sang Cheol Kim

通讯作者：崔屹

通讯单位：美国斯坦福大学材料科学与工程系

论文链接：https://doi.org/10.1557/s43577-021-00191-4

硅是锂离子电池的高能量密度负极材料，但它具有电子导电性差、界面不稳定和机械断裂等缺点，阻碍了电池的循环。碳涂层一直是稳定硅阳极的重要策略，但硅表面性能对碳涂层形貌及其硅循环稳定性的影响尚未明确阐明。在此，崔屹教授团队发现硅阳极的热氧化和碳质前驱体的化学气相沉积导致了有序的石墨烯涂层，而无序的石墨涂层则形成在原生硅表面。石墨烯包覆硅具有优越的循环性能，经过300次循环后，其放电容量保持在约1300 mAh g−1，而无序石墨涂层硅则持续退化，在300次循环后仅保持约600 mAh g−1。低温电子显微镜揭示了循环稳定性差异背后的机制；石墨烯涂层的硅能够承受长时间循环过程中产生的巨大机械应变，而无序的石墨涂层则会破裂，使硅表面暴露在电解液中，导致SEI大量积聚，循环性能较差。对硅表面的表征表明，热处理产生了富氧表面层，这被假设在决定碳涂层中起决定性作用。这项工作强调了硅表面性能对碳涂层微观结构的影响，并提出热处理是在硅阳极上获得石墨烯涂层的一种简便途径。