“三人兩諾獎，科研三巨擘”之“鋰離子電池之父”、“石墨烯之父”、“染敏太陽能電池之父”

一、“鋰離子電池之父”-?John B. Goodenough

John B. Goodenough，著名電化學家，2019年諾貝爾化學獎獲得者之一，被譽為“鋰電池之父”。他是鈷酸鋰、錳酸鋰和磷酸鐵鋰三種最重要的鋰離子電池正極材料的發明人，為鋰離子電池的發展做出了不可磨滅的貢獻。他是這一領域的奠基人。目前，Goodenough任美國德州大學奧斯汀分校，機械工程系終身教授。他是著名固體物理學家，主要通過研究化學、結構以及固體電子/離子性質之間的關系來設計新材料解決材料科學問題。Goodenough教授主要的研究方向有：鋰離子電池、燃料電池、氧滲透膜以及過渡金屬氧化物。主要進行能量儲能和轉換材料研究，開發了中溫固態氧化物燃料電池和氧滲透膜。同時也在從事合成新型陶瓷材料相關的工作，并進行化學和結構表征，以及高溫、高壓、元素分析。除此之外，Goodenough教授還從事高溫超導超、電子由局部變為流動時的超巨磁阻現象的機理研究。Goodenough教授發現的三種正極材料鈷酸鋰、錳酸鋰和磷酸鐵鋰是他所做出的最杰出的成就，這奠定了現代社會廣泛使用的鋰離子電池的基礎，堪稱一代偉人。沒有他，我們現在所使用的手機電池，不過是一個“行走的炸藥包”而已。英國科學院院士Peter G. Bruce等人認為John B. Goodenough教授的科學成就足以獲得兩次諾貝爾獎。97歲高齡獲得諾貝爾獎的John B. Goodenough教授也成為歷史上最年長的諾貝爾獎獲得者。

近期代表性成果：

1、Angew：增強表面相互作用可實現氧化物/聚合物復合電解質中的快速Li⁺導電

美國德克薩斯大學奧斯汀分校的John B. Goodenough教授團隊向聚環氧乙烷中引入了兩種商業化的Li⁺絕緣氧化物螢石Gd_0.1Ce_0.9O_1.95（GDC）和鈣鈦礦La_0.8Sr_0.2Ga_0.8Mg_0.2O_2.55（LSGM）來研究兩種氧化物/聚環氧乙烷（PEO）基聚合物復合電解質；兩種材料的整體和顆粒表面上的氧空位能增加氧化物表面與聚合物中Li-鹽的陰離子之間的相互作用，從而促進Li⁺離子的遷移率并增強Li⁺導電性。密度泛函計算（DFT）顯示了鋰鹽的TFSI陰離子與無機填料表面之間形成鍵。GDC與LSGM相比，與TFSI陰離子的相互作用更強。隨著GDC或LSGM的引入，Li⁺在A1和A2位點的分布發生了變化。當流動的A2環境中的Li⁺含量增加時，復合電解質的Li⁺電導率得到改善。在具有不同陰極的全固態鋰金屬電池中，每種復合電解質均顯示出穩定的循環和良好的性能。

文獻鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201914478

2、ACS Energy Lett.：將傳統有機電解質升級為未來的鋰金屬電池：納米SiO₂負載的分層凝膠聚合物電解質

美國德克薩斯大學John B. Goodenough與西安交通大學唐偉、李明濤等人報道了一種納米SiO₂負載的凝膠聚合物電解質，該電解質是通過原位凝膠化功能改性的SiO₂層上負載的有機液體電解質制成的。SiO₂-GPE表現出高離子電導率，出色的熱穩定性和寬的電化學窗口。由于電極和SiO₂-GPE之間的界面電阻低以及對Li枝晶的有效抑制，因此LFP/SiO₂-GPE/Li電池在200次循環后顯示出162.9 mAh g^-1的高放電容量。這項工作展示了一種解決鋰金屬與傳統液體電解質之間的界面問題的新策略，可能使有機電解質系統向下一代高能量密度鋰金屬電池發展。

文獻鏈接：

https://doi.org/10.1021/acsenergylett.0c00412

3、AFM：原位形成Li₃P層可實現跨Li/固體聚合物電解質界面的快速傳導

美國德州大學奧斯汀分校John B. Goodenough教授團隊和北京理工大學金海波教授等人通過在制備過程中向聚合物電解質膜中添加黑磷，使得鋰金屬/固體聚合物電解質界面上的Li₃P層會在循環時原位形成。該原位形成的層顯著降低了鋰金屬/固體聚合物電解質的界面電阻以及全固態鋰金屬電池的總電阻。具有包含黑磷添加劑的聚合物電解質的電池的較低電阻極大地增強了電池的電化學性能，電池以較高的電流密度循環，同時提高了全固態鋰金屬電池的臨界電流密度。

文獻鏈接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202000831

4、AFM：PEO基電解質對固態鋰離子電池反應機理的研究

美國德州大學奧斯汀分校John B. Goodenough教授團隊通過將DN較低的聚偏二氟乙烯（PVDF）被用作硫陰極中的粘合劑。結果，通過抑制PVDF聚合物形成多硫化物，可顯著提高PEO基Li–S電池的循環性能。在循環過程中，未在PVDF涂層的硫陰極中生成長鏈多硫化物中間體，這表明硫直接轉化為固體Li₂S₂/Li₂S。因此，固態Li–S電池在0.05 mA cm^-2和55°C下60個循環后可保持630 mAh g^-1的可逆放電容量。在基于PEO的固態Li-S電池中實現一步式“固-固”反應，為開發具有長循環穩定性的高性能Li-S電池提供了一條新途徑。

文獻鏈接：

https://doi.org/10.1002/adfm.202001812

二、“石墨烯之父”-?Andre Geim

Andre Geim，英國曼徹斯特大學物理與天文學院教授。1958年10月出生于俄羅斯索契，擁有英國、荷蘭雙重國籍。1987年在俄羅斯獲得博士學位，后在英國、丹麥繼續研究工作。1994年，任荷蘭奈梅亨大學副教授，并與康斯坦丁·諾沃肖洛夫首度合作。2001年，任曼徹斯特大學物理教授。2004年，與諾沃肖洛夫合作發現二維材料石墨烯，兩人因此共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。獲得諾獎后，海姆又獲得了荷蘭和英國冊封的騎士頭銜。職業生涯中發表超過250篇頂尖文章，其中超過30篇發表于Nature、Science。超過20篇文章被引次數大于1000,其中4篇文章被引超過10000次。他也是世界上唯一一個同時獲得過諾貝爾獎和搞笑諾貝爾獎的科學家，在獲獎后接受采訪時，安德烈?海姆說：“我昨晚睡得很香，因為我根本沒有期望能拿獎。當有些人拿到諾貝爾獎后開始停止做科研，甚至停止做很多他該去做的事，并且其他方面的事物會纏繞著他很多年，這樣他更不能專心工作。但對于我來說，我會像往常一樣繼續我的研究，認真工作，享受研究。” Andre Geim的故事還遠沒有結束，全世界的人都在盯著他，未來，他繼續會帶給我們驚喜與歡樂。

近期代表性成果：

1、Nature: 石墨烯的氣體滲透性極限

英國曼徹斯特大學諾獎得主A. K. Geim教授團隊使用小的石墨烯密封的單晶容器，研究發現無缺陷的石墨烯是不透水的，其精確度比之前的研究高出8-9個數量級。研究人員能夠辨別出每小時只有幾個氦原子的滲透，這個檢測限也適用于除了氫的所有其他測試氣體（氖、氮、氧、氬、氪和氙）。盡管氫分子比氦分子大，并且要經歷一個更高的能量屏障，但它仍表現出明顯的滲透。這異常的結果歸因于兩階段的過程，涉及在高催化活性的石墨烯波紋處解離氫氣分子，緊隨其后的是吸附的氫原子以相對較低的活化能躍遷到石墨烯片的另一側。該研究工作為二維材料的抗滲性提供了一個關鍵的參考，從基礎研究的角度和它們的潛在應用都具有重要意義。

文獻鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2070-x

2、Nature Commun：單層石墨烯中的電子散射控制

英國曼徹斯特大學諾獎得主A. K. Geim教授團隊通過使用具有原子層厚的門柵極介電層和原子層厚的金屬柵極的設備，研究人員測量了石墨烯中電子的電子散射長度，并報告了與標準行為的定性偏差。僅在幾納米的柵極電介質厚度下，由屏蔽引起變化，該厚度比電子之間的典型間隔小得多。理論分析與從單層石墨烯中電子粘度的測量和石墨烯超晶格中Umklapp電子-電子散射的測量結果中得出的散射率非常吻合。該研究為將來在二維系統中實現多體研究提供了指導。

文獻鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-15829-1

3、“染敏太陽能電池之父”-Michael Gr?tzel

Michael Gr?tzel，瑞士洛桑聯邦理工學院界面與光子學實驗室主任、國際著名科學家，主要從事有機太陽能電池和鈣鈦礦太陽能電池的研究；開創了介觀材料系統中能量和電子轉移反應領域的研究及其在能量轉換系統中的應用，特別是光伏電池和光電化學裝置，用于將水分解為氫氣和氧氣，以及通過太陽光減少二氧化碳。以及鋰離子電池中的電力儲存。并與BrianO' Regan教授共同發明了染料敏化太陽能電池，后來也被稱為Gr?tzel電池。在國際學術期刊上發表論文1500多篇，包括Nature、Science、Nat.Nano.、Nat. Mat.、J. Am. Chem.Soc.、Angew.，Adv. Mater.等，論文已被引用超過了227000，H因子218，成為全世界論文引用次數最多的三位科學家之一；撰寫了兩部著作，擁有專利50多項。

近期代表性成果：

1、AM：23.5％效率！兩性分子鈍化用于制備高效穩定鈣鈦礦太陽能電池

瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）Michael?Gr?tzel教授和天津大學李祥高教授合作引入了一種經過精心設計的鈍化劑，即4-叔丁基-芐基碘化銨（tBBAI），其龐大的叔丁基基團可防止由于空間排斥而產生的不利聚集。發現用tBBAI進行簡單的表面處理可以顯著加速從鈣鈦礦到螺-OMeTAD空穴傳輸劑中的電荷提取，同時阻礙了非輻射電荷載流子的重組。這將PSC的功率轉換效率（PCE）從大約20％提高到23.5％，從而將磁滯降低到幾乎無法檢測到的水平。重要的是，tBBAI處理將填充因子從0.75提高到0.82的極高值，這與理想因子從1.72降低到1.34是一致的，證實了無輻射載流子重組的抑制。叔丁基還提供了疏水性保護傘，可保護鈣鈦礦薄膜免受周圍水分的侵蝕。結果，在連續模擬太陽輻射下，在最大功率點跟蹤下，全日照500小時后，PSC表現出優異的操作穩定性，可保留其初始PCE的95％以上。

文獻鏈接：

https://doi.org/10.1002/adma.201907757

2、JACS：二維¹⁹F固態NMR光譜揭示通過雙功能鹵素鍵的混合鈣鈦礦太陽能電池的超分子調制

瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）Michael?Gr?tzel教授團隊使用雙功能調節劑1,2,4,5-四氟-3,6-二碘代苯（TFDIB），通過鹵素鍵（XB）與雜化鈣鈦礦相互作用。研究人員通過結合密度泛函理論（DFT）計算使用二維¹⁹F固態NMR光譜作為工具來闡明其作用方式。鈣鈦礦太陽能電池的調制可在連續照明下提高穩定性，同時保持優異的光伏性能。這展示了通過XB在太陽能電池研究中進行超分子調制的潛力。該工作揭示了雙功能XB在改善鈣鈦礦太陽能電池的穩定性和結構-性能關系方面的作用，從而為鈣鈦礦光電技術中的分子設計提供指導。

文獻鏈接：

https://doi.org/10.1021/jacs.9b13701

3、Angew.:高效穩定的FA基鈣鈦礦太陽能電池

瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）Michael?Gr?tzel教授團隊使用逐步退火方法，可以通過有效抑制δ-FAPbI₃非鈣鈦礦相的形成來穩定基于FAPbI₃的鈣鈦礦。通過利用MACl的催化活性以及分子定制的IBA₂FAPb₂I₇層的表面涂層，可達到接近23％的PCE，這是報道的基于純FAPbI₃的PSC的最高值。這種2D涂層的PSC在80 ^oC的熱應力下表現出優異的操作穩定性。該工作為穩定和提高基于FAPbI₃的鈣鈦礦的操作穩定性提供了一種有效方法，為未來PSC的工業化鋪平了道路。

文獻鏈接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.202005211

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