諾獎得主“足夠好”爺爺、崔屹等能源大佬領銜，帶你盤點世界最頂尖鋰電池研究團隊

鋰離子電池作為時下產業界和學術界最火熱的主題之一，已成為全球經濟低迷環境中一抹不可多得的亮點。鋰電池的研究最早可以追溯到1912年，GilbertN. Lewis提出并研究了鋰金屬電池。1958年，Harris提出采用有機電解質作為鋰金屬電池的電解質，鋰離子電池的研究從此進入快速發展的時代。從鋰離子電池發展簡史中可以看到， 1970年代是高能量密度的鋰一次電池產業化應用和鋰電池理論的一個爆發期，對鋰電池的發展產生深遠的影響。1980年代以Goodenough為代表的過渡金屬氧化物為代表的鋰離子電池正極材料的發展進入新的階段，石墨負極也應運而生。而消費電子和動力電池對能量密度提升的需求，推動著正極材料向高電壓方向不斷邁進，負極材料則向Si負極、鋰金屬負極不斷探索。接下來，本文帶你盤點世界最頂尖鋰電池研究團隊以及他們的近期研究進展。

一、JohnB. 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

二、崔屹

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1998年本科畢業于中國科技大學化學系。1998年就讀于哈佛大學研究生院，師從查爾斯?理博（Charles M. Lieber）教授。2002年，進入加州大學伯克利分校，作為博士后研究員與保羅?阿里維薩托教授（Paul Alivisatos）共同工作。2005年，加入斯坦福大學材料科學與工程系，于2010年擢升為副教授并獲得終身教職。他是《納米學報》（《Nano Letters》）副主任編輯，同時也是由美國能源部投資支持的灣區光伏聯盟的聯合主任。崔屹教授的科研工作主要集中在納米材料在能源存儲，能源轉化，光伏電池，拓撲絕緣體，能源環境以及生物質能等。迄今為止，崔屹教授課題組已累計在國際著名雜志Nature Nanotechnology, Nature Materials, Nature Chemistry, Nature Communications, Nano Letters等發表高水平論文200多篇，累計他引超過20000次。在產學研轉化方面，崔屹教授也走在了世界前列。崔屹教授共同創辦了Amprius公司，致力于將研究成果工業化，商品化。目前該公司已經推出了新一代鋰離子電池，其續航時間，輕便程度和使用壽命也創下了歷史新高。

近期代表性成果：

1、ACS Energy Letters：用冷凍掃描電子顯微鏡研究電池固體電解質中間相中氟化物種的納米和介觀非均質性

美國斯坦福大學崔屹教授等人使用cryo-(S)TEM，研究了Li金屬的SEI中SEI物相(如LiF和Li₂O)的空間分布。盡管通過XPS測量了氟化電解質體系的SEI中的LiF含量，但發現與負極材料相接的SEI不含LiF，這是通過cryo-HRTEM結合cryo-STEM EELS證實的。LiF可以作為間接SEI沉積在任何導電表面（包括集電器）上，并且稀疏沉積在Li金屬上。由于LiF在電解質中的適度溶解性，LiF沉淀為直徑大于100 nm的大納米顆粒。集電器上LiF沉積物的存在可能在一定程度上有助于Li鍍層的均勻性。氟化添加劑（例如FEC）的作用可能是由于它們在負極迅速脫氟并隨后發生聚合反應，而不是僅由LiF的產生引起的。這些發現為跨尺度的SEI結構提供了新的視角。

文獻鏈接：https://doi.org/10.1021/acsenergylett.0c00194

2、Chem. Soc. Rev.：可伸縮電化學儲能裝置

美國斯坦福大學崔屹教授和鮑哲南教授團隊綜述討論了可拉伸電池和超級電容器技術的最新進展。與其他評論相比，該綜述專注于使材料和設備可拉伸的各種策略。研究人員通過展示可以引入應變能力的不同方法，研究人員希望為科學家和工程師提供一個路線圖，以使多種材料可拉伸。同時，研究人員還記錄了這些設備的電化學性能，以便讀者可以了解哪些策略有效地創建了高性能和高拉伸性的材料。

文獻鏈接：https://doi.org/10.1039/D0CS00035C

3、Joule：高能量密度快速充電鋰離子電池紅磷納米結構電極的設計

美國斯坦福大學崔屹教授、華中科技大學孫永明教授、清華大學王莉教授等人使用具有優化結構的紅磷/碳納米復合材料的電極顯示出更好的容量保持能力，并且基于電極整體體積/質量計算，其比單位面積容量的商用石墨電極和鈦酸鋰電極具有更高的容量。此外，紅磷/碳納米復合材料負極在循環時具有穩定的循環和高的庫倫效率，并具有高面積容量。由于其優越的電化學性能，易于制備且成本低廉，紅磷/碳納米復合材料將在具有高能量密度的高級快速充電LIB中具有重要的應用。

文獻鏈接：https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(19)30046-7

三、PeterG．Bruce

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Peter Bruce，英國皇家化學會會士，牛津大學Wolfson教授，世界知名的固態化學與電化學領域專家，曾出版專著《Solid State Electrochemistry》。研究方向橫跨化學、材料和能源等領域，Peter Bruce教授是國際上鋰-空氣電池的開拓者之一，在2012年發表于Science的文章中發布了關于此類電池的穩定、可逆的運行報告，在世界范圍內引領其發展。Bruce教授是英國牛津大材料系教授，皇家科學院院士，工程院院士，英國皇家化學學會外籍院士，已發表期刊論文400逾篇。Peter Bruce教授于2008年獲得了皇家化學學會的蒂爾登獎，于2011年獲得了電化學學會的卡爾·瓦格納獎，于2016年獲得了皇家化學學會的Liversidge獎，并于2017年獲得了皇家學會的休斯獎章。在2015-2019年期間，Thomson Reuters / Clarivate Analytics也將其選為“高被引科學家”。除了指導固態電池和鋰電池聯盟之外，布魯斯教授還是法拉第研究所（英國電化學儲能研究中心）的創始人兼首席科學家。他還于2018年11月擔任英國皇家學會（英國皇家學會）的物理秘書和副主席一職。

近期代表性成果：

1、Chemical Reviews：鋰氧電池的潛力，現狀和未來！

英國牛津大學Peter G. Bruce，以色列巴伊蘭大學Doron Aurbach，韓國漢陽大學Yang-Kook Sun和加拿大滑鐵盧大學Linda F. Nazar等人詳細描述了該領域的重要方面：非均相電催化，氧化還原介體的均相電催化以及相關電解質溶液與在Li-O₂電池中形成的高反應性氧部分的可能的副反應。特別注意最近發現的反應性單線態氧的作用，該反應性單線態氧是在超氧化鋰與過氧化鋰的歧化過程中形成的。本綜述涵蓋了以下方面：負極（包括尋找替代的，反應性較低的負極），正極和電解質系統，包括基于有機或離子液體的溶液和固態電解質（陶瓷和聚合物）。研究人員還描述了創新性實驗，以開發對這些電池中的活性氧部分更穩定的新溶劑。此外，該綜述還涵蓋了基礎科學方面的詳細描述。研究人員還分析了Li-O₂電池的挑戰和前景，以及和Na-O₂，K-O₂和Mg-O₂電池進行比較。

文獻鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.chemrev.9b00609

四、ClareP．Grey

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Clare P. Grey 于1991年在牛津大學獲得博士學位。目前是劍橋大學化學系教授，英國皇家學會院士，紐約州立大學石溪分校兼職教授。Clare P. Grey 已在國際一流刊物上發表期刊論文300逾篇。目前Grey教授是 Journal of American Chemical Society， Joule, Accounts of Chemical Research 等國際著名期刊的編委。Grey教授團隊的主要研究工作集中在以下幾個方向：鋰離子電池技術，鈉離子電池技術，新型鋰空氣電池，鎂離子電池和固態電解質等前瞻科研領域。近年來，Grey教授在鋰離子電池正極材料方面結合自身以及先進的表征技術的優勢，在材料的表征及模擬方面開展了諸多研究。Grey 教授的研究重點是了解儲能和轉化材料的功能。在劍橋大學化學系，她使用包括固態核磁共振和衍射在內的多種技術，研究局部結構、動力學以及它們在控制技術上來說很重要但通常高度無序和復雜材料的物理特性方面所起的作用。Grey 教授開發了核磁共振方法用以檢測電池和超級電容器運行過程中發生的結構變化，例如研究快速充電的影響和捕捉亞穩態。核磁共振技術也可以用來深入了解離子傳導的機制。

近期代表性成果：

1、Nature：原位NMR測量揭示氧化還原液流電池的反應機理

英國劍橋大學Clare P. Grey教授等人通過兩種原位NMR測量技術來研究液流電池。在兩個基于AQ的氧化還原流動電池系統中直接觀察到自由基和完全還原陰離子的形成，其中它們的平衡濃度受兩個單電子轉移氧化還原過程的電勢控制。在特定循環條件下，能夠觀察到DHAQ4-分解為DHA3-/DHAL3-，但未觀察到DBEAQ4-的分解。DHAQ4-在水介質中再氧化反應和析氫反應的實時觀察表明，其他涉及溶劑水和或DHAQ4-降解副反應正在發生。同時，這些NMR技術使電解質分解和電池自放電能夠被實時監測，并表明DHAQ是通過一種電化學反應分解的，這種反應可以通過限制充電電壓來實現最小化，在理解液流電池中的氧化還原過程和其他電化學系統方面具有廣泛的應用。

文獻鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-020-2081-7

2、ACS Energy Letters:氣體對金屬鋰負極循環性以及固態電解質界面形成的影響

英國劍橋大學Clare P. Grey教授等人證明了在存在也有助于在Cu基體表面上形成更均勻的含LiOH的SEI層，從而實現均勻的Li成核并改善后續的成核鍍層剝離效率。雖然LiOH是SEI的主要成分，但提高性能的關鍵是在氧氣（而不是水）存在下形成的SEI。在不存在氧氣或其他添加劑的情況下，形成的異質性更強的SEI包含范圍更廣的物種，這會導致鍍層不均勻和枝晶生長。因此，氣體交換可以潛在地用作在鋰金屬負極中促進均勻SEI層的預處理方法。氣體交換對SEI形成和整體電池性能的影響為將來的鋰金屬電池（包括實用的鋰空氣電池）中的電極制造提出了設計問題。
文獻鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.0c00257

五、LindaF．Nazar

Linda F. Nazar，加拿大滑鐵盧大學化學、電子及計算機工程教授，是一位世界電池領域的女杰出科學家，主要研究儲能材料和固態電化學材料，2009 年曾經獲得國際電化學會電池部研究獎，2010 年獲得加州研究所摩爾杰出學者獎，2011 年獲國際鋰電池學會獎，2011 年獲國際純粹化學會化學工程杰出女性科學家獎，2011 年琳達·納薩爾博士被評為加拿大皇家學會會員，2014 年入選湯森路透的高引作者。Linda F. Nazar的研究涵蓋了電池領域的鋰硫電池，鋰空氣電池，鋰離子電池，鈉離子電池，鎂離子電池。同時也她有很多關于超級電容器和多孔材料的研究。其中她引用最高的一篇文章于2009年發表在Nature Materials上。鋰硫電池最大的特點就是容量隨便一做就能超過500-600，甚至上千，這是目前商業化的金屬氧化物和LiFePO₄遠遠不可比擬的。

近期代表性成果：

1、ACS Energy Letters：新型高電壓鹵化物固體電解質Li_3-xM_1-xZr_xCl₆

?加拿大滑鐵盧大學的Linda F. Nazar團隊開發了一種新型混合金屬鹵化物 Li_3-xM_1-xZr_xCl₆ (M = Y, Er)固體電解質，它在25°C下的離子電導率高達1.4 mS cm^-1。而且在很高的電壓下也能保持穩定。Zr取代后新的離子導電相演變的結果。最重要的是，這些氯化物SE的出色的電化學氧化穩定性直接在完整電池中得到證明，這使得可以使用未涂覆的4 V級陰極材料而沒有任何明顯的氧化界面分解。研究人員相信這些進展為ASSB的實用設計提供了重要參考。
文獻鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.9b02599?ref=pdf

本文由eric供稿。

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