胡良兵經典成果梳理

人物簡介

胡良兵于2002年獲得中國科學技術大學物理學士學位，并與張玉恒教授合作研究了巨磁電阻（CMR）材料三年。博士期間，在加州大學洛杉磯分校（與喬治格魯納合作），專注于碳納米管基納米電子學（2002-2007）。2006年，他加入Unidym Inc（www.unidym.com），擔任共同創始科學家。在Unidym，Liangbing的作用是開發卷對卷印刷碳納米管透明電極，并將設備集成到觸摸屏，LCD，柔性OLED和太陽能電池中。他于2009年至2011年在斯坦福大學（與Yi Cui合作）工作，在那里他研究基于納米材料和納米結構的各種能源設備。目前，他是馬里蘭大學帕克分校的副教授。他的研究興趣包括納米材料和納米結構，卷對卷納米制造，專注于固態電池和Na離子電池的儲能，以及印刷電子。他發表了200多篇研究論文（總引用次數：> 15,000次），國際會議特邀報告70多次。他獲得了許多獎項，包括：Nano Letters Young Investigator Lectureship（2017），海軍研究辦公室青年研究員獎（2016），ACS能源和燃料新興研究員獎（2016），SME杰出青年制造工程師獎（2016） ，馬里蘭大學初級教師獎（工程學院，2015年），3M非終身教職員獎（2015年），馬里蘭州杰出青年工程師（2014年），馬里蘭大學年度發明獎（2014年物理科學），美國工程教育學會校園之星（2014年），空軍青年研究員獎（AFOSR YIP，2013年）。胡博士是馬里蘭大學帕克分校高級造紙和紡織中心（CAPT）的（創始）主任。他還是Inventwood Inc.的聯合創始人，致力于進一步商業化上述纖維素納米技術。他主要從事木材纖維基的納米纖維和納米微晶的研究；重點研究納米纖維素在光學和電學方面的應用和高性能低成本新能源器件。

論文成果：

Materials ?Today：開, 關之間實現石墨烯材料的高性能組裝

來自美國馬里蘭大學的胡良兵副教授（通訊作者），陳亞楠博士（第一作者），王以林博士（共同一作）和美國航空航天研究所的林奕副研究員（通訊作者）合作在Materials ?Today上發表研究長文，題為“Nanomanufacturing of Graphene Nanosheets through Nano-Hole Opening and Closing”。作者報道了通過控制石墨烯納米片上納米孔的開，關實現高密度，高質量石墨烯體相材料的裝配。利用在石墨烯納米片上誘導形成的納米孔，實現多孔石墨烯的干法壓制或模塑成型，亦可實現液相處理時的溶劑快速移除。成型后，納米片上的納米孔可以通過電加熱方法在高溫下快速快速閉合或修復（~2700K）。與石墨爐中的傳統高溫處理不同，焦耳電加熱速度快，最快可達幾毫秒[參考文獻]，成本低，并且在存在更高電阻的石墨烯納米片之間的接合點處可以引起超高溫。自修復熱還原使得可以在缺陷處在相鄰的石墨烯納米片之間形成交聯，這有助于構建高密度石墨烯結構，從而導致高電導率和熱導率。分子動力學（MD）模擬表明，閉孔或修復機制涉及共軛碳結構的重建，其中碳自由基在高溫下填充修復納米孔。閉孔后的愈合石墨烯體相結構表現出優異的電導（2209?S / cm），熱導（863W / mK）和機械強度等。

文獻鏈接：Nanomanufacturing of Graphene Nanosheets through Nano-Hole Opening and Closing，(https://doi.org/10.1016/j.mattod.2018.09.001)

EES：超高容量和穩定循環的柔性Li-CO2電池

在馬里蘭大學胡良兵教授（通訊作者）團隊的帶領下，與美國航空航天局蘭利研究中心和美國國家航空航天研究所合作，報告了一種基于柔性陰極的高容量，機械柔性且高度可充電的Li-CO₂電池，該電池利用了木材的天然結構。木結構中的微通道（容器和腔）確保了足夠的CO₂氣流，而細胞壁的納米通道（纖維素納米纖維之間的間隙）充滿了電解質。此外，木材中的纖維素納米纖維可吸收電解質并形成納米離子通道，改善陰極中的離子傳輸。此外，通過在微通道的內壁上放置釕(Ru)修飾碳納米管(CNT)網絡，為放電產物沉積提供了充足的表面積。在放電期間，流過微通道的CO₂氣流遇到來自納米離子通道的鋰離子和來自通道壁上的CNT網絡的電子，形成放電產物Li₂CO₃。在再充電期間，Li₂CO₃固體分解成鋰離子和CO₂氣體，它們可以分別沿著通道壁和微通道快速轉移走。因此，在這種Li-CO₂電池設計中沒有運輸障礙，這確保了系統的優異可再充電性。所提出的基于柔性木基陰極的Li-CO₂電池可以穩定循環200次，同時保持1000 mA h g_c^-1的高容量和1.5 V的低過電位。另外，由于木材結構有利于CO₂氣體和鋰離子的輸送，因此即使使用超厚的陰極也可以保持高容量。使用2mm厚的陰極已經實現了11?mAh?cm^-2的高容量。除了顯著的電化學性能，通過化學處理部分去除木質素和半纖維素，木基陰極具有出色的機械柔性，為柔性和可穿戴設備的潛在應用帶來希望。相關成果以題為“Flexible lithium-CO₂?battery with ultrahigh capacity and stable cycling”發表在了EES上。

文獻鏈接：Flexible lithium-CO₂?battery with ultrahigh capacity and stable cycling（EES ,2018,DOI：10.1039/C8EE01468J）

Adv. Mater.：受肌肉啟發的高度各向異性、高強且離子導電的水凝膠

美國馬里蘭大學胡良兵教授課題組結合天然木材的高拉伸強度和水凝膠的柔性、高含水量等特點，實現了高度各向異性、高強且離子導電的木材水凝膠的制備。研究表明，有序纖維素納米纖維與聚合物分子鏈之間存在較強的氫鍵作用和交聯結構，使得木材水凝膠的拉伸強度高達36 MPa，是目前報道的強度最高的水凝膠材料之一。此外，由于有序纖維素納米纖維帶有負電荷，該種木材水凝膠還可以作為納米流體導管實現類似生物肌肉組織的離子選擇性傳輸功能。該成果以題為"Muscle-Inspired Highly Anisotropic, Strong, Ion-Conductive Hydrogels"發表在Advanced Materials上。

文獻鏈接：Muscle-Inspired Highly Anisotropic, Strong, Ion-Conductive Hydrogels??(Adv. Mater. 2018, DOI: 10.1002/adma.201801934)

Adv. Energy. Mater.：在低曲率的層級碳框架中“鏈甲催化劑”的原位組裝及其用于高效穩定的析氫反應

在美國馬里蘭大學胡良兵教授（通訊作者）帶領下，與美國匹茲堡大學合作，在工作中，通過超快焦耳加熱的熱激處理方法在一個多孔碳化木（CW）基碳基底中嵌入氮（N）摻雜的少層石墨烯包裹的鎳鐵（NiFe）核-殼納米粒子（N-C-NiFe）。由于超高的加熱和淬火速率，金屬鹽前驅體在碳載體上快速分解并重新分布成核為超細金屬合金納米顆粒。熱沖擊誘導的N-C-NiFe納米粒子具有較小的平均尺寸(22.5 nm)和較薄的石墨烯殼（1至4層）。N-C-NiFe電催化劑均勻地錨定在CNTs上，在木材衍生的碳微通道（CW-CNT@N-C-NiFe）內部原位生長，有助于快速電子傳輸。開放的CW-CNT框架具有低彎曲的微通道，可以促進的氫氣釋放和電解質滲透。結果顯示，這種自支撐CW-CNT@N-C-NiFe電極在氫析出方面表現出令人印象深刻的電化學性能，Tafel斜率小，為52.8 mV dec^-1和在10?mA cm^-2下的過電位為179?mV，并具有良好的長期循環穩定性。即使在10000次循環之后，這種CW-CNT@N-C-NiFe電極的極化曲線也基本保持不變。這種新開發的簡便但有效的熱沖擊處理方法是納米顆粒在導電載體中快速原位自組裝的潛在替代方案，可拓展至其他高效電催化的應用。相關成果以題為“In Situ “Chainmail Catalyst” Assembly in Low-Tortuosity, Hierarchical Carbon Frameworks for Efficient and Stable Hydrogen Generation”發表在Adv. Energy. Mater.上。

文獻鏈接：In Situ “Chainmail Catalyst” Assembly in Low-Tortuosity, Hierarchical Carbon Frameworks for Efficient and Stable Hydrogen Generation（Adv.Energy. Mater.,2018,DOI：10.1002/aenm.201801289）

ACS Nano：外延連接的碳納米管薄膜在水性電池集流器的應用

美國馬里蘭大學的胡良兵（通訊作者）等人提出了一種“外延焊接”策略，設計形成碳納米管（CNT）集合體為高度結晶和相互連接的結構。將聚丙烯腈溶液涂覆在CNT上作為“納米膠”以便物理連接CNTs形成網絡結構，然后進行快速高溫退火（>2800 K，約30分鐘）將聚合物涂層石墨化成結晶層，并使相鄰的CNT形成相互連接的結構。接觸-焊接的CNT（W-CNT）表現出高導電性（?1500 S/cm）和高拉伸強度（?120 MPa），分別比未焊接的CNT高5和20倍。此外，當在陰極和陽極電位下，進行恒電位測試時，W-CNT在強酸性/堿性電解質中（> 6mol/L），顯示出很好的化學和電化學穩定性。憑借這些卓越的性能，W-CNT薄膜將會是高性能集流體的最佳選擇，這一結果已經在“鹽中水”電解質的水性電池中得到了證明。相關成果以“Epitaxial Welding of Carbon Nanotube Networks for Aqueous Battery Current Collectors”為題發表在ACS Nano上。

文獻鏈接：Epitaxial Welding of Carbon Nanotube Networks for Aqueous Battery Current Collectors（ACS Nano, 2018, DOI: 10.1021/acsnano.7b08584）。

Advanced Energy Materials：無枝晶堿金屬陽極的3D可潤濕性框架

馬里蘭大學胡良兵教授課題組（通訊作者）相關論文“3D Wettable Framework for Dendrite‐Free Alkali Metal Anodes”發表在能源期刊Advanced Energy Materials（影響因子：16.72）上。張瑩（一作）、王成威（共同一作）以及?Glenn Pastel（共同一作）研究人員報道了一種由碳纖維（CF）構成的三維框架作為穩定的骨架預先存儲鋰金屬或鈉金屬（Li/Na-CF復合材料）（圖1b）。CF為獨特的同軸結構，由導電碳芯、高堿金屬潤濕性的合金過渡層和外部附著的Li或 Na金屬層構成。如圖1c所示，高比表面積的3D框架保證了電解質/電極的充分接觸，可實現Li / Li +或Na / Na +氧化還原反應過程中的快速電荷傳質。通過降低局部電流密度有效抑制了枝晶的生長并通過多孔結構限制了充放電過程中的體積變化。與之前報道3D集流體（例如3D Cu和Ni泡沫）相比 ，Li / Na-Sn過渡層有以下四個優勢：1）通過生成Li / Na- Sn復合物的生成極大地降低了熱熔融堿金屬和SnO2之間的表面能，從而驅動了堿金屬在輕質多孔CF基體中的引入; 2）形成的Li / Na-Sn合金調節了3D碳框架和堿金屬之間的界面傳質; 3）Li / Na-Sn合金層提供大量電化學活性位點以引導均勻的Li / Na成核并避免嚴重的枝晶生長;4）具有離子導電特質的Li / Na-Sn合金過渡層層比本體堿金屬具有更高的擴散系數； 例如，鋰金屬自身的離子擴散系數為5.7×10^-11 cm² s^-1，相較之下，Li-Sn合金表現出更高的離子擴散系數，為6.6×10^-8~5.6×10^-7 cm² s^-1（室溫）。因此，與裸碳相比，具有Li / Na-Sn中間過渡層的堿金屬電極為均勻成核提供了快速的動力學。與堿金屬極片和3D集流體相比，這些改進還可提高循環性能和安全性。

文獻連接：3D Wettable Framework for Dendrite‐Free Alkali Metal Anodes，Advanced Energy Materials，2018，DOI：10.1002/aenm.201800635

Science封面：合成八種元素的高熵合金

北京時間2018年3月30日，Science在線發表馬里蘭大學胡良兵、伊利諾伊大學芝加哥分校Reza Shahbazian-Yassar,、約翰霍普金斯大學Chao Wang、麻省理工大學Ju Li（共同通訊）等人題為“Carbothermal shock synthesis ofhigh-entropy-alloy nanoparticles”的封面文章。該研究通過熱沖擊負載在碳載體上的前體金屬鹽混合物[溫度?2000K，55毫秒的持續時間，?10⁵K每秒的速率]。提出了通過將八種不同元素合金化成單相固溶體納米顆粒（通常稱為高熵合金納米顆粒（HEA-NP）。通過控制碳熱激發（CTS）參數（底物，溫度，沖擊持續時間和加熱/冷卻速率）來合成具有期望的化學（組成），尺寸和相（固溶體，相分離）的寬范圍的多組分納米顆粒。為了證明實用性，實驗人員合成了五元HEA-NPs作為氨氧化催化劑，其具有?100％轉化率和> 99％的氮氧化物選擇性。本文第一作者是姚永剛，同期印第安納大學布盧明頓分校Sara E. Skrabalak做了題為“Mashing up metals with carbothermal shock”的perspective，Science也作為this week in science重點報道。

文獻鏈接：Carbothermal shock synthesis of high-entropy-alloy nanoparticles（Science,2018,DOI:10.1126/science.aan5412）

Science Advance：各向異性的納米纖維素用作超隔熱納米材料

馬里蘭大學胡良兵教授和科羅拉多大學楊榮貴教授（共同通訊作者）等人展示了由木材直接制造的纖維素納米纖維卓越的熱管理能力，下文稱其為納米材料。這一材料表現出的各向異性的熱性能，在橫向上（垂直于納米纖絲）熱導率極低，為0.03W / m·K，在軸向上的熱導率約為橫向的兩倍，0.06W / m·K。導熱率的各向異性使得納米材料能夠沿著軸向有效地散熱，同時在橫向上產生絕熱。此外，納米材料在太陽光譜上表現出低于5％的發射率，并且能夠有效地反射太陽熱能。該成果以“Anisotropic, lightweight, strong, and super thermally insulating nanowood with naturally aligned nanocellulose”為題，于今晨發表于期刊Science Advance上。論文的第一作者為李恬博士。

文獻鏈接：Anisotropic, lightweight, strong, and super thermally insulating nanowood with naturally aligned nanocellulose（Science Advance,2018,DOI: 10.1126/sciadv.aar3724）

Chem：彈性木頭碳海綿

馬里蘭大學胡良兵教授和李騰教授，華中科技大學謝佳教授（共同通訊作者）等人通過可擴展和可持續的自上而下的方法，直接從天然輕木制造高度輕質和可壓縮的木炭海綿。化學處理從木材細胞壁去除木質素和半纖維素，直接將格狀剛性木結構轉化為彈簧狀可壓縮層狀結構。木炭海綿作為應變傳感器展現了優越的機械性能和靈敏的電響應性。該成果以“Scalable and Sustainable Approach toward Highly Compressible, Anisotropic, Lamellar Carbon Sponge”為題發表在期刊Chem上。

文獻鏈接：Scalable and Sustainable Approach toward Highly Compressible, Anisotropic, Lamellar Carbon Sponge（Chem，2018，DOI: https://doi.org/10.1016/j.chempr.2017.12.028）

Nat. Energy：3000 K高溫下柔性還原石墨烯氧化膜的熱電性能

馬里蘭大學胡良兵教授和Dennis H. Drew（共同通訊作者）等人展示了一種基于高溫還原氧化石墨烯納米片的熱電轉換材料。研究人員在3300 K進行還原處理后，3000K時的納米片膜的電導率增加到4000 Scm^-1且功率因數S2σ高達54.5μWcm^-1 K^-2。報告測量表征該膜的熱電性能高達3000 K。還原石墨烯氧化膜還表現出高的寬帶輻射吸收，可以充當輻射接收器和熱電發生器。該成果以“Thermoelectric properties and performance of flexible reduced graphene oxide films up to 3,000 K”為題于2018年2月5日發表在期刊Nature Energy上，論文的第一作者為李恬博士。

文獻鏈接：Thermoelectric properties and performance of flexible reduced graphene oxide films up to 3,000 K（Nat. Energy，2018，doi:10.1038/s41560-018-0086-3）

Adv. Funct. Mater.：高效的介孔木質太陽能蒸汽發生裝置

美國馬里蘭大學胡良兵教授（通訊作者）等人于2018年2月21日發表在期刊Advanced Functional Materials上發表了研究成果“Scalable and Highly Efficient Mesoporous Wood-Based Solar Steam Generation Device: Localized Heat, Rapid Water Transport”。太陽能蒸汽發生裝置的設計是通過納米級通道在木材中進行跨平面水輸送，熱傳輸方向被解耦以減少傳導熱損失。在1 個太陽下達到80％的高蒸汽發電效率，在10個太陽下實現89％的高蒸汽發電效率。垂直于介孔木材的交叉板可以通過凹洞和螺旋提供快速的水輸送。纖維素納米纖維在凹洞周圍呈圓形分布，并沿著螺旋高度對齊以將水穿過內腔。同時，利用介孔木材的各向異性導熱，可以提供比超絕熱聚苯乙烯泡沫塑料（≈0.03W m^-1 K^-1）更好的絕緣性能。木材在橫向方向呈現出0.11 W m^-1 K^-1的熱導率。太陽能蒸汽發生裝置在太陽能輻照度下具有成本效益和大規模應用的前景。

文獻鏈接：Scalable and Highly Efficient Mesoporous Wood-Based Solar Steam Generation Device: Localized Heat, Rapid Water Transport （Adv. Funct. Mater.，2018，DOI: 10.1002/adfm.201707134）

Adv. Mater.：基于擠壓的多層多孔先進電池電極的3D打印

在美國馬里蘭大學胡良兵教授（通訊作者）課題組的帶領下，與美國國家航天研究所和美國宇航局蘭利研究中心合作下，通過簡單的一步氧化處理，石墨烯粉末可以合成高度多孔的納米材料（稱為hG）。在hG合成期間，通過去除原始石墨烯片上的有缺陷的碳來形成納米尺寸的通孔。在這項研究中，選擇hG作為碳前體來生產高度多孔的GO材料（稱為hGO），其被制成用于基于擠壓的3D打印的含水和無添加劑的油墨。獨立的3D打印的hGO網格呈現出三峰孔隙率：納米尺度（hGO片上4-25nm通孔），微觀尺度（通過凍干引入的幾十微米尺寸的孔）和宏觀尺度（<500μm方孔網孔設計），這對于依靠界面反應的高性能能量存儲裝置來促進完整的活性部位利用是有利的。在完全放電條件下，納米多孔r-hGO網格陰極在循環深度和穩定性方面優于非納米多孔GO基網格陰極。通過未經優化的Ru催化劑修飾，納米多孔r-hGO網格的可循環性提高了兩倍。相關成果以題為“Extrusion-Based 3D Printing of Hierarchically Porous Advanced Battery Electrodes”發表在了Advanced Materials上。?

文獻鏈接：Extrusion-Based 3D Printing of Hierarchically Porous Advanced Battery Electrodes（Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201705651）

Nature：小小木材到高性能結構材料的飛躍

北京時間2018年2月8日，Nature在線發表了馬里蘭大學胡良兵、Teng Li（共同通訊）題為“Processing bulk natural wood into a high-performance structural material”的文章，團隊研發出了一種簡單而有效的策略，將塊狀天然木材直接轉變成高性能結構材料，其強度，韌性和防彈性提高了十倍，并具有更大的尺寸穩定性。通過在NaOH和Na₂SO₃的含水混合物中的沸騰過程從天然木材中部分去除木質素和半纖維素，隨后進行熱壓，導致細胞壁的完全塌陷和天然木材與高度一致的纖維素納米纖維的完全致密化。這種策略被證明對各種木材都是普遍有效的，該加工木材具有比大多數結構金屬和合金更高的比強度，使其成為低成本，高性能，輕量級的替代品。

文獻鏈接：Processing bulk natural wood into a high-performance structural material（Nature,2018,DOI:10.1038/nature25476）

Adv. Mater：用于固態電池的3D打印電解質

美國馬里蘭大學的胡良兵教授和Eric D.Wachsman教授（共同通訊作者）通過3D打印技術制造了Li7La3Zr2O12固態電解質。研究人員使用獨特的石榴石油墨，印刷和燒結了可能結構的樣本，揭示了薄且非平面的僅由LLZ固體電解質組成的復雜結構。3D印刷對稱的Li|LLZ|Li電池的面積比電阻在電化學循環測試中很低，使用3D打印技術進一步研究和優化電解質的結構可以使得固態電池的全單元面積比電阻顯著降低，同時使得電池的能量密度和功率密度更高。在這項工作中，可以使用更多的設計和結構。 所報道的墨水配方可以很容易地修改為與其他固體電解質或陶瓷材料一起使用，可以擴展到其他相關領域中去。相關研究成果“3D-Printing Electrolytes for Solid-State Batteries”為題發表在Advanced Materials上（第一作者Dennis W. McOwen博士，徐劭懋博士）。

文獻鏈接：“3D-Printing Electrolytes for Solid-State Batteries”（Adv. Mater., 2018, DOI: 10.1002/adma.201707132）

Adv. Energy Mater.：用于酸性水系電池的碳納米管-纖維素納米纖維復合集流體

美國馬里蘭大學帕克分校的胡良兵教授（通訊作者）團隊從脫色后的軟木漿溶液出發，經過2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基自由基（TEMPO）輔助氧化反應得到較粗的纖維素纖維，再將其壓制后得到更細的纖維素納米纖維（CNF），并與碳納米管（CNT）復合，經真空抽濾得到CNT- CNF復合薄膜。該CNT-CNF薄膜全部由碳材料纖維組成，其厚度可以控制在10 μm以內，密度僅為1.12 g/cm³，直流電導率可高達704 S/cm，彈性模量高于60 MPa。在CNT-CNF復合結構中，主要由CNT提供導電通路，而CNF主要提供機械強度，并能提高CNT在CNF表面的分散性。將該CNT-CNF復合薄膜用于強酸性水系電池中的集流體，在高達1.7 V（相對于Ag/AgCl）和低至-0.5 V（相對于Ag/AgCl）的電位下呈現出優越的電化學穩定性。將該CNT-CNF薄膜在5 M硫酸溶液中浸泡4個月后，其形貌無明顯變化，仍能保持高達575 S/cm的電導率。與市售活性碳紙（ACC）集流體相比，該CNT-CNF復合集流體具有更高的電化學穩定性，能在水系電池體系中代替金屬集流體和ACC集流體。經估算，該CNT-CNF復合薄膜的總成本僅為1.027 $/m²，遠低于同等條件下金屬集流體的成本。該研究成果以“Highly Conductive, Light Weight, Robust, Corrosion-Resistant, Scalable, All-Fiber Based Current Collectors for Aqueous Acidic Batteries”為題，發表在Adv. Energy Mater.上。

文獻鏈接：Highly Conductive, Light Weight, Robust, Corrosion-Resistant, Scalable, All-Fiber Based Current Collectors for Aqueous Acidic Batteries (Adv. Energy Mater., 2017, DOI: 10.1002/aenm.201702615)

AEM：不同電池基底上鋰鈉合金的通用焊接策略

來自馬里蘭大學的胡良兵副教授在著名期刊Advanced Energy Materials上發表了題為”Universal Soldering of Lithium and Sodium Alloys on Various Substrates for Batteries”的論文，第一作者為王成威博士，共同第一作者為在讀博士生謝華。該文章報道了一種通用焊接技術，可以快速地將熔融的金屬鋰或金屬鈉涂覆在不同的基底上用于固態電池和其他應用領域。通過添加合金成分，熔融鋰的表面能和粘性都增加了。富鋰的熔融合金在陶瓷、金屬和聚合物等基底上展示了良好的浸潤性。將該焊接涂覆技術應用于固態電池中時，熔融的鋰錫合金在10秒內成功涂覆在剛打磨完的石榴石陶瓷片上，如快速的焊接過程一般。SEM圖證實了合金和石榴石表面的緊密接觸，其界面阻抗只有7Ω cm²。鋰的嵌入-脫出循環測試證實了富鋰合金負極和石榴石SSEs界面接觸的穩定性。同樣的浸潤性現象在鈉基熔融合金和鈉錫合金應用于氧化鋁基底上時亦有觀測。

文獻鏈接: Universal Soldering of Lithium and Sodium Alloys on Various Substrates for Batteries (Adv. Energy. Mater.: 10.1002/aenm.201701963)

Adv. Energy. Mater：“會呼吸的木頭”成就高性能鋰氧電池

美國馬里蘭大學帕克分校的胡良兵教授（通訊作者）團隊在Advanced Energy Materials 上發表最新研究成果 “Hierarchically Porous, Ultrathick, “Breathable” Wood-Derived Cathode for Lithium-Oxygen Batteries”，該成果第一作者為宋慧宇副教授，現任職于華南理工大學化學與化工學院。在該文中，研究者從自然界中擁有層級多孔結構的木頭上獲得啟發，設計了以“會呼吸”的碳化并活性化的木頭為基底，在其多孔微型孔道中負載釕納米顆粒，構筑了鋰氧電池正極材料。微型孔道有利于氧氣擴散傳輸，其中豐富多級孔的存在使得正極材料能夠被電解質完全浸潤，孔道壁上形成的電解質薄層確保了鋰離子的快速傳輸。以碳化活性木頭/釕（厚度約700 μm）為正極的鋰氧電池表現出高的面積比電容（0.1 mA cm^-2 電流密度，8.58 mA h cm^-2）和優異的充放電循環性能；若增加正極的厚度至3.4 mm，鋰氧電池的面積比電容將提高至56.0 mA h cm^-2。

文獻鏈接：Hierarchically Porous, Ultrathick, “Breathable” Wood-Derived Cathode for Lithium-Oxygen Batteries，(Adv. Energy. Mater, 2017, DOI: 10.1002/aenm.201701203)

Adv. Mater.：超細納米銀顆粒有助于金屬鋰的沉積形成穩定的鋰金屬負極

美國馬里蘭大學帕克分校的胡良兵副教授在Adv. Mater.期刊上發表的‘Ultrafine Silver Nanoparticles for Seeded Lithium Deposition toward Stable Lithium Metal Anode’一文，報道了一種改善鋰金屬電池性能及應用的新方法，即：利用快速焦耳加熱法合成的超細納米銀顆粒能夠引導鋰均勻沉積在基體材料上，從而解決鋰金屬用作負極時存在的問題。所得到的Li負極表現出低電壓超電勢和卓越的循環穩定性，而沒有短路問題。新型快速焦耳加熱方法也有望為先進儲能材料的納米制造創造更多的可能性。

文獻鏈接：Ultrafine Silver Nanoparticles for Seeded Lithium Deposition toward Stable Lithium Metal Anode(Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201702714)

EES：雙層石榴石固態電解質骨架結構-破解鋰硫電池兩大難題

馬里蘭大學帕克分校的胡良兵教授和Eric Wachsman教授（共同通訊作者）首次報道了一種新型三維固態電解質骨架結構，采用該固態電解質制備的混合型固態鋰電池，具備安全性能良好和高能量密度等優點。在先進鋰電池中，研究人員采用雙層致密-多孔石榴石固態電解質骨架結構，同時解決了化學/物理短路和電極體積變化兩大問題。盡管致密層減小到幾微米的厚度，但仍保持良好的機械穩定性，從而保證了鋰金屬電池的安全性。作為薄層物理支撐的厚多孔層可以負載多種正極材料，并提供離子電導通道。實驗發現硫正極負載量可達> 7 mg/cm²，混合Li-S電池在后續循環中，具有高達> 99.8％的初始庫侖效率和> 99％的平均庫侖效率。這種電解質骨架結構展現出了一種新型鋰電池革新策略，為全固態電池的研究提供了理論指導。該項研究成果以“Three-Dimensional Bilayer Garnet Solid Electrolyte Based High Energy Density Lithium Metal-Sulfur Batteries”為題，發表在著名國際期刊Energy Environ. Sci.上。

原文鏈接：Three-Dimensional Bilayer Garnet Solid Electrolyte Based High Energy Density Lithium Metal-Sulfur Batteries(Energy Environ. Sci., 2017, DOI: 10.1039/C7EE01004D)

Angew. Chem. Int. Ed. : 鋰-石榴石電池中金屬界面的瞬態行為

美國馬里蘭大學胡良兵教授(通訊作者)等人以鎂(Mg)作為模型來研究金屬鍍層對固態電解質和鋰金屬陽極界面電阻的影響，并在Angew. Chem. Int. Ed.上發表了題為“Transient Behavior of the Metal Interface in Lithium Metal-Garnet Batteries”的研究論文。Li-Mg合金過電勢較低，因此界面阻力較低。作者發現金屬涂層溶解于熔融的鋰并向體相金屬鋰擴散，石榴石固態電解質和鋰金屬之間的界面電阻較小且穩定。TOF-SIMS結果證實了Mg涂覆于界面的瞬態行為，XPS結果表明，當熔融的鋰與鎂涂層作用時，石榴石固態電解質仍保持穩定。此外，由于金屬界面的瞬態行為，界面阻抗并沒有隨金屬鍍層的厚度(5、10和100 nm)增加而改變。

文獻鏈接：Transient Behavior of the Metal Interface in Lithium Metal-Garnet Batteries?(Angew. Chem. Int. Ed., 2017, DOI: 10.1002/anie.201708637)

Adv. Mater.：仿生-受樹啟發的高效水提取

美國馬里蘭大學胡良兵教授和Siddhartha Das教授(共同通訊作者)等利用天然木材制備了高性能太陽能蒸汽發生器件，并在Adv. Mater.上發表了題為“Tree-Inspired Design for High-Efficiency Water Extraction”的研究論文。原始、自然的木材沿管腔方向進行可控表面碳化，從而構建了一種獨特的雙層結構。上層結構負責光的捕獲，下層結構是天然的水輸運材料，兩層間實現了不破壞管腔微結構的連接。上述受樹啟發的設計為高效水提取提供了獨特的優勢，包括快速運輸和蒸發水、表面碳化所致的較高光吸收(≈99%)、較低的熱導率(以避免熱損失)和低廉的成本。器件展現了獨特的地下水光熱提取能力，從海水中制備淡水也表現出很高的效率。受樹啟發的設計提供了一種廉價、可擴展的太陽能收集和蒸汽產生技術，可以在全球很多地方提供清潔水資源，尤其是農村或偏遠地區。

文獻鏈接： Tree-Inspired Design for High-Efficiency Water Extraction (Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201704107)

Adv. Mater.： 超強超硬纖維素納米纖維

美國馬里蘭大學胡良兵（通訊作者）在Advanced Materials發表了“Super-Strong, Super-Stiff Macrofibers with Aligned, Long Bacterial Cellulose Nanofibers” 的文章。研究人員通過革蘭氏陰性細菌醋桿菌可以沿著縱向細胞表面的線性纖維素合成TC將葡萄糖聚合成纖維素鏈，產生≈1.5nm寬的16-鏈亞元素原纖維，然后結晶成30-50nm寬和4-5nm厚的帶狀細菌纖維素細絲。細菌纖維素具有≈1-9μm的納米纖維，聚合度高達14000-16000和高結晶度（84-89％），使其成為制造大型纖維的構件材料的理想選擇。通過簡便且可伸縮的濕法拉伸和濕法扭曲法制備的超細細菌纖維素納米纖維制成的超強超硬纖維素纖維。所得的細菌纖維素大分子纖維由于納米纖維沿纖維軸線的長度和取向而產生高抗拉強度（826MPa）和楊氏模量（65.7GPa）。超細纖維的比拉伸強度高達598 MPag^-1cm³，甚至比新型輕質鋼（227MPag^-1cm³）更強。

文獻鏈接：Super-Strong, Super-Stiff Macrofibers with Aligned, Long Bacterial Cellulose Nanofibers（Adv. Mater. 2017, DOI: 10.1002/adma.201702498）

Nature子刊：無界面阻抗的全固態鋰電池

石榴石型固態電解液早在數十年之前就被研究，阻礙研究進展的主要問題是其剛性陶瓷的性質，使得電解液與電極間存在較高界面阻抗。有人采用過加熱甚至融化金屬鋰的方式來減少界面阻抗，但結果不盡人意。來自美國馬里蘭大學帕克分校的胡良兵（助教）和 Eric D.Wachsman教授（共同通訊作者）的課題組在Nature Materials上發表了題為Negating interfacial impedance in garnet-based solid-state Li metal batteries的文章，展示了他們在SSLiBs上的最新進展。他們通過原子層沉積的方法，使Al₂O₃包覆在石榴石型 Li₇La_2.75Ca_0.25Zr_1.75Nb_0.25O₁₂(LLCZN)上，顯著提升了石榴石型固態電解液（SSEs）潤濕性和穩定性，更重要的是把界面阻抗由1710cm²降低到了1cm²，并通過實驗和理論模擬計算的方法研究了性能提升的原理。

原文鏈接：Negating interfacial impedance in garnet-based solid-state Li metal batteries(Nature Materials，2016，DOI: 10.1038/NMAT4821)

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