能源女神，顶级大牛！孟颖教授团队2022年度成果精选

孟颖（Ying Shirley Meng），美国芝加哥大学分子工程学院教授，美国能源部阿贡国家实验室能源存储科学合作中心（ACCESS）首席科学家，加州大学圣地亚哥分校（UCSD）纳米工程系及能源技术Zable荣誉首席教授，可持续电力和能源中心（SPEC）的创始主任，以及材料设计与探索研究所（IMDD）的创始主任，美国电化学学会成员，能量储存及转化实验室（LESC）的首席研究员。于2005年取得新加坡-麻省理工联合培养微纳米系统博士学位，随后在麻省理工学院进行博士后工作。2008-2009年在佛罗里达大学任教，2009年至今在加州大学圣地亚哥分校任教，并在2017年晋升为教授。

孟颖教授团队已在Nature, Science, Nature Energy, Nature Materials, Joule, Energy & Environmental Science, Journal of American Chemical Society等国际著名学术期刊上发表超过500篇同行评议论文，两部专著章节和六项专利，获得过多项著名奖项，如英国皇家学会迈克尔·法拉第勋章，国际电池协会（IBA）电池研究奖, 美国化学会ACS应用材料和界面青年研究者奖，能量储存及创新国际联盟（ICESI）就职青年职业奖，国际材联-新加坡青年科学家奖，电化学学会C. W. Tobias青年研究者奖，巴斯夫-大众电化学科学奖和美国国家科学基金会（NSF）(NSF)职业奖等。课题组主页：http://smeng.ucsd.edu/及https://voices.uchicago.edu/smeng/.

Joule：多尺度成像分析与计算模型结合研究厚正极退化机制

芝加哥大学孟颖教授和法国于勒凡尔纳-庇卡底大学Alejandro A. Franco等人报道了通过多尺度成像方法研究厚电极退化的机制。作者选择了一种由高Ni层状NMC811（LiNi_0.8Mn_0.1Co_0.1O₂）基正极（厚度约80 μm，面容量约6 mAh/cm²）和Li金属负极制成的电池，作为电池界正在进行的研究目标（电池级能量密度超过400 Wh/kg）的代表性示例。PFIB-SEM用于研究大的代表性3D体积（>100×35×70 μm³），以评估厚NMC811正极在不同电化学循环条件下的微观结构演变。

为深入了解纳米尺度上沿厚度方向的反应异质性，通过FIB提升工艺制备NMC811电极顶部和底部的薄片，用于扫描透射电子显微镜（STEM）至原子分辨率。从这种多尺度成像方法中提取的微观和纳米结构特征被用于基于在电极尺度上收集的3D PFIB数据构建4D计算模型，考虑了活性材料、CBD和孔隙的明确位置。

此外，作者利用该模型评估了正极电解质界面（CEI）形成对传输特性的影响，以及识别厚电极内部的空间操作异质性。该研究在实验/建模协同作用下，揭示了CBD在定义厚正极的电子和离子传输网络中的关键作用，这些网络极大地影响了高压循环条件下的操作异质性和电极性能。基于这些见解，作者展示了基于高压LNMO（LiNi_0.5Mn_1.5O₄）的正极（厚度约80 μm），由于通过干电极涂层工艺优化的CBD渗透网络，该正极可提供稳定的循环性能。

Coupling of multiscale imaging analysis and computational modeling for understanding thick cathode degradation mechanisms. Joule, 2022, DOI: 10.1016/j.joule.2022.12.001.

https://doi.org/10.1016/j.joule.2022.12.001.

Science综述：电解质的发展历程

电解质是离子电池（LIBs）的重要组成部分，物理上将两个电极隔离开，允许工作离子同时在电池中传输电荷和质量，使电池反应可以持续地工作。电解质必须同时满足多个标准，包括电极之间传输离子的同时绝缘电子，并保持对强反应性电极的稳定性。在大多数先进电池体系中，两个电极的工作电位远远超过电解质的热力学稳定性极限，因此必须通过电解质和电极之间的牺牲反应形成的界面来实现稳定性。基于此，芝加哥大学孟颖教授、阿贡国家实验室Venkat Srinivasan教授和许康教授等人报道了一篇关于电池电解质的综述，总结了电解质发展的历程，以及当下发展遇到的挑战和已有的解决策略。

在文中，作者从相界面驱动的LIBs、下一代电池的电解质和界面设计、电解质和界面的新概念等角度进行了论述。全面了解电解质中的溶剂化结构、相关的界面化学及其沿2D和3D空间尺度的分布，以及在电化学过程中化学如何演变，可通过使用多种先进观测技术的组合，收集的大数据集进行研究来实现。其中，包括液体和固体核磁共振、X射线或中子散射得到的差分PDF，以及配备断层扫描和电子能量损失光谱的低温分析电子显微镜。

电解质在分解过程中形成了具有纳米厚度的界面，而界面的存在确保了LIBs快速的充/放电速率、高的电压和循环可逆性。此外，设计更好的电解质也意味着对电极材料设计先进的界面。后续对电解质的研究不仅要聚焦电解质中离子的体相传输，还要更多关注其与电极之间的界面问题。

Designing better electrolytes. Science, 2022, DOI: 10.1126/science.abq375.

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abq3750.

AEM：快速充电LIBs中增强的电解质传输和动力学对石墨剥离和Li沉积的影响

尽管在能量保持方面取得了重大进展，但在极端快速充电（XFC）条件下，锂离子电池（LIBs）面临着循环寿命无法持续的缩短，主要源于石墨负极和电解质之间的各种动力学限制。基于此，加州大学圣地亚哥分校孟颖教授、Zheng Chen和John Holoubek等人报道了他们研究分析了具有传统碳酸盐电解质的LiNi_0.6Mn_0.2Co_0.2（NMC622）||石墨袋式电池在XFC条件下运行时的倍率诱导负极失效机制。作者证明了使用传统电解质的电池中的石墨负极经历了严重的容量衰减，这是由于通过Li沉积导致的Li损失、孤立石墨的位错以及由于电荷转移动力学不足而导致的剥离驱动的间隙SEI形成。

此外，作者通过适当的选择、设计和羧酸酯基电解质的应用解决了这些故障。基于1 M六氟磷酸锂（LiPF₆）甲基丙酸（MP）+10%氟碳酸乙烯（FEC）（M9F1）的电解质在4 C（15 min）充电时，能够保持82.5%的电池能量密度，而使用传统1.2 M LiPF₆的3：7碳酸乙烯（EC）/甲基碳酸乙酯（EMC）（Gen 2）混合溶液的电池仅保留73.4%的能量密度。

测试发现，使用M9F1的电池在500和1000次循环后分别表现出88.2%和77.9%的容量保留率，而在Gen 2中仅为54.1%和12.4%。M9F1能够规避上述失效条件是由于改善的离子电导率、高迁移数，有利于电荷转移的溶剂化结构，以及形成薄的有利成分的SEI。该工作明确地展示了XFC条件下LIBs的复合失效模式，同时展示了电解质成分对该过程的转化作用以及由此产生的性能。

Enhanced Electrolyte Transport and Kinetics Mitigate Graphite Exfoliation and Li Plating in Fast-Charging Li-Ion Batteries. Adv. Energy Mater., 2022, DOI: 10.1002/aenm.202202906.

https://doi.org/10.1002/aenm.202202906.

Energy Storage Mater.：评估Li-ASSBs和全电池的临界电流密度

全固态锂-金属电池（Li-ASSBs）由于其在实现高能量密度方面的潜力，近年来备受关注。然而，室温下Li-ASSBs的低临界电流密度（CCD）仍是限制商业化前景的主要瓶颈。大多数研究表明，CCDs显著低于传统LIBs，但这些报告之间缺乏一致性。虽然这些CCD不一致性可归因于压力、温度和固体电解质化学的变化，但是文献中通常忽略了关键参数。基于此，芝加哥大学孟颖教授和加州大学圣地亚哥分校Jihyun Jang等人报道了Li金属的制造压力接触保持时间与CCD之间的关系，从而阐明了受控Li变形对CCD的影响。

在文中，作者使用常见的Li-ASSBs电池结构，即Li|Li₆PS₅Cl（LPSCl）|Li对称电池和NCM811|LPSCl|Li全电池，讨论了控制Li金属对称电池和全电池CCDs的堆叠压力因素。作者证明了在制造和操作参数中，制造过程中Li和SSE之间的接触时间也是可以显著影响对称电池中CCD值的关键因素。

此外，作者还通过电池准备和循环过程中的操作压力监测，系统地解决了对称电池和全电池之间CCD差异的根本原因。最后，作者发现使用恒压电池设计可以在循环时释放电池内部的压力变化驱动应力，有助于在室温附近运行的Li-ASSBs中实现更高的CCD。

Assessing the critical current density of all-solid-state Li metal symmetric and full cells. Energy Storage Mater., 2022, DOI: 10.1016/j.ensm.2022.12.013.

https://doi.org/10.1016/j.ensm.2022.12.013.

Adv. Energy Mater.：抑制锂金属负极的化学腐蚀

锂（Li）金属负极是下一代高能量密度可再充电锂金属电池（LMBs）的关键。虽然研究人员进行了广泛的研究来延长LMBs的循环寿命，但是与液态电解质中锂金属的化学腐蚀有关的寿命尚未得到定量理解。基于此，芝加哥大学孟颖教授、密歇根州立大学Chengcheng Fang和加州大学圣地亚哥分校Wurigumula Bao等人报道了将滴定气相色谱法（TGC）和低温聚焦离子束相结合，构建了各种液体电解质体系中化学腐蚀速率与电化学沉积Li形态之间的定量关系。

为评估Li金属在液体电解质中的化学稳定性，作者使用TGC量化了四种代表性液体电解质系统中镀锂的腐蚀趋势：高浓度醚基“Bisalt”电解质（DME中的4.7 m LiFSI+2.3 m LiTFSI）、低浓度醚基“Nitrate”电解质（DME: DOL中的1 M LiTFSI，含2 wt%LiNO₃）、碳酸盐基“Gen 2”电解质（EC: EMC中的1.2 M LiPF₆）和局部高浓度电解质（LHCE，LiFSI: DME: TTE，摩尔比为1: 1.2: 3）。同时，Cryo-FIB/SEM还记录了Li在不同腐蚀阶段的形态变化。

研究发现，镀Li的孔隙率对确定Li在液体电解质中的腐蚀速率有重要影响。通过结合TGC和Cryo-FIB/SEM对镀Li进行三维（3D）重建，对镀Li的孔隙率进行了量化，并计算了其在液体电解质中的相应腐蚀速率。最后，通过使用先进的LHCE和优化的堆叠压力（350 kPa），实现了Li的超低孔隙率。在液体电解质中浸泡10天后，所得低孔隙率Li仅有0.8%的Li⁰质量损失。该研究揭示了Li金属孔隙度、SEI组成和Li腐蚀速率之间的基本关系。

Suppressing Chemical Corrosions of Lithium Metal Anodes. Adv. Energy Mater., 2022, DOI: 10.1002/aenm.202202012.

https://doi.org/10.1002/aenm.202202012.

Nat. Energy：实际LMBs中可逆和不可逆Li的量化

准确评估电极的可逆性对电池性能评估至关重要，但是在锂金属电池（LMBs）中获得锂（Li）负极的真正可逆性还具有挑战性，主要是因为Li的使用量过大。基于此，芝加哥大学孟颖教授、中科院宁波材料所刘兆平研究员和周旭峰研究员等人报道了一种定量评估实际LMBs可逆性的分析方法。我们确定了控制负极可逆性的关键参数，随后通过考虑循环Li负极的活性和非活性Li的质量，构建了它们与循环次数的关系。

在文中，作者定量区分了Ah水平LMB袋式电池中循环LMA中的活性Li⁰和非活性Li⁰。联苯/四氢呋喃（THF）溶液用于化学金属化活性Li金属（Li⁰），但也用于保持封装非活性Li⁰的SEI的完整性，分离的活性Li⁰和非活性Li⁰可以独立地定量。此外，我们还确定了关键参数，包括特定循环期间阴极镀锂的（ir）可逆百分比，描述了LMBs的真实（ir）可逆性。

基于关键参数的定量分析表明，高堆叠压力通过最小化SEI的开裂可能性来抑制固有的Li损失，并且在高充电速率下树枝状Li的聚集导致不可逆性的严重恶化。通过使用这种分析方法和定性形态学特征，可以揭示Li金属负极（LMA）的组成和结构演变。作者对可逆和不可逆Li的量化提供了一种可变的独立方式，以研究LMBs中不同操作条件的影响，包括堆叠压力、充/放电速率、截止电压和工作温度。该方法还揭示了电池组件的影响，包括正极、负极、粘合剂、隔板和电解质，对LMBs电池设计有重大贡献。

Quantification of reversible and irreversible lithium in practical lithium-metal batteries. Nat. Energy, 2022, DOI: 10.1038/s41560-022-01120-8.

https://doi.org/10.1038/s41560-022-01120-8.

Adv. Energy Mater.：全固态薄膜电池在5 V电压下稳定的正极电解质界面

尖晶石型LiNi_0.5Mn_1.5O₄（LNMO）是一种最有前途的5 V级锂离子电池（LIBs）正极材料，可以实现高能量密度和低成本。然而，在液态电解质电池中，高电压会通过碳酸盐基液态电解质的氧化分解导致电池持续退化。然而，一些固态电解质具有较宽的电化学稳定性范围，可以承受所需的氧化电位。基于此，芝加哥大学孟颖教授和加州大学圣地亚哥分校Minghao Zhang等人报道了对由LNMO正极和固态锂磷氧氮化物（lithium phosphorus oxynitride，LiPON）电解质组成的薄膜电池进行了测试，并对循环前后的界面进行了表征。以锂（Li）金属为负极，该系统可以提供稳定的性能循环600次，平均库仑效率（CE）超过99%。

通过结合目标光谱、微观和计算工具，对LNMO正极和LiPON固态电解质之间的界面有了新的见解。中子深度剖面（neutron depth profiling，NDP）揭示了由于LiPON沉积导致的LNMO/LiPON界面处LNMO的覆锂层，解释了LNMO第一次充电期间的过剩容量。如密度泛函理论（DFT）预测和低温STEM/EELS检查所证实，富锂LNMO呈现出从4+到3+的Mn氧化价态变化。

在富Li作用下，正极结构是完整的，在电化学活化后不会受到显著影响。Cryo-TEM进一步显示了具有紧密接触的LNMO/LiPON界面，该界面在500次循环过程中没有空隙和裂纹。STEM/EELS表明，界面上的主要元素保持其原始化学键合环境，而观察到的共形和稳定界面有助于LiPON对LNMO的电化学稳定性。从无添加剂电极及其与机械和电化学兼容SSE的紧密接触中获得的知识表明，通过专用界面工程可以实现5 V级正极材料的长期循环稳定性。

Unraveling the Stable Cathode Electrolyte Interface in all Solid-State Thin-Film Battery Operating at 5 V. Adv. Energy Mater., 2022, DOI: 10.1002/aenm.202201119.

https://doi.org/10.1002/aenm.202201119.

Adv. Energy Mater.：硼酸盐添加剂在高压电解质中对LRLO影响

富Li层状氧化物（LRLO）因其理论容量高，引起了人们对高能锂离子电池（LIBs）的极大兴趣。然而，在循环过程中的容量衰减和电压衰减阻碍了LRLO的实际应用。基于此，加州大学圣地亚哥分校孟颖教授和Minghao Zhang等人报道了使用双（草酸）硼酸锂（LiBOB）作为电解质添加剂来提高高压LRLO/石墨全电池的循环稳定性。含有LiBOB电解质的电池提供248 mAh g^-1的初始容量，当倍率为C/5时，在4.5 V下循环150次后容量保留率为95.5%，200次循环后容量保留率为89.5%。

在C/10或C/5电池高压下，作者进行了长时间测试，显示出在极端条件下优越的循环稳定性。此外，我LRLO/石墨全电池在200次循环中电压衰减为196 mV（每周期1.0 mV），比已报道的LRLO材料（在长时间循环中每周期超过1.4 mV）要低。作者认为LiBOB添加剂在高压循环中的优势来自于它对电解质中产生的HF的清除作用，从而减少了对CEI和SEI的HF腐蚀。

保存良好的CEI还减少了正极表面/次表面相变，减缓了电池中极化的增加，有助于缓解LRLO电池中的电压衰减。由于对CEI和SEI的良好保护，循环过程中发生的石墨中毒也较少，同时减少了过渡金属（TM）的溶解和TM的沉积，从而提高了含LiBOB电解质的高压循环稳定性。结果表明，硼酸盐添加剂是一种很有前途的高压电解质优化策略，可以用于LRLO的工业化。

Elucidating the Effect of Borate Additive in High-Voltage Electrolyte for Li-Rich Layered Oxide Materials. Adv. Energy Mater., 2022, DOI: 10.1002/aenm.202103033.

https://doi.org/10.1002/aenm.202103033.

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能源女神，顶级大牛！孟颖教授团队2022年度成果精选

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