郭玉国，研究员（二级），国科大岗位教授，博导，“杰青”，“国家重点研发计划”首席科学家。2007年加入中科院分子纳米结构与纳米技术院重点实验室任研究员、博士生导师、课题组长。2012年获得国家杰出青年基金资助，2016年入选科技部创新人才推进计划。应邀担任美国化学会ACS Applied Materials & Interfaces副主编， Nano Research、Energy Storage Materials、Chem Electro Chem、Solid State Ionics、eScience、《中国科学：化学》、《电化学》、《储能科学与技术》等10余种国内外期刊的编委。
郭老师长期从事能源电化学与纳米材料的交叉研究，在高比能锂离子电池、锂-硫电池、固态电池、钠离子电池等电池技术及其关键材料方面取得一些研究成果，致力于推动基础研究成果的实际应用，开发出的高性能硅基负极材料实现了产业化。在Nat. Mater.、Nat. Energy、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Chem、Joule、Energy Environ. Sci.等期刊上发表SCI论文超过350篇，他人SCI引用超过40000次，h-index为106，2014-2020连续七年被科睿唯安评选为全球“高被引科学家”，出版电池材料方面英文专著1部，并著有英文专著章节1章。
在2022年2月7日—2月9日，郭玉国团队与其他课题组合作分别在Adv. Mater.（IF=30.849）、Angew. Chem. Int. Ed.（IF=15.336）和Adv. Funct. Mater.（IF=18.808）上发表了最新成果。下面，对这三篇成果进行简要的介绍，以供大家学习和了解！
Adv. Mater.：可转换的非晶态Li2CO3改性助力增强电化学性能且空气稳定的高镍正极
具有高比容量的高镍（Ni≥90%）正极为下一代锂离子电池（LIBs）的发展提供了具有巨大的潜力，但是在连续空气侵蚀和电解液侵蚀条件下，高界面反应性限制了其实际的应用。基于此，中科院化学研究所郭玉国研究员和石吉磊副研究员（共同通讯作者）等人报道了一种通过预先控制气氛，在颗粒表面原位诱导致密的非晶态Li2CO3，合理地设计了一种稳定的高Ni正极。
在文中，作者通过退火过程中的O2/CO2气氛调节，实现了将残余锂（Li）定向预构建为LiNi0.9Co0.06Mn0.04O2颗粒表面的非晶态Li2CO3保护层。其中，Li2CO3是一种热力学最稳定的残留锂化合物，因此致密的Li2CO3涂层可作为物理保护层，将正极与潮湿空气隔离开来，从而减少LiOH等其他有害残留锂化合物的产生，进而提高正极的空气稳定性。在循环过程中，非晶态Li2CO3可以消耗电解质分解产生的HF，有利于在电化学过程中形成稳定的富F正极电解质界面（cathode electrolyte interphase, CEI），从而增强了正极的界面稳定性并提高了电化学性能。
实验测试发现，经非晶态Li2CO3改性的LiNi0.9Co0.06Mn0.04O2（N90@Li2CO3）表现出优异的性能，包括存储过程中的空气稳定性和LIBs的电化学稳定性。利用这种改性正极组装的纽扣电池可以提供232.4 mAh g-1的高放电容量，具有95.1%的出色初始库仑效率（CE）和100次循环后90.4%的容量保持率。此外，在大规模电极制造过程中不会发生浆料凝胶化。该工作为LIBs中非晶态Li2CO3的演变开辟了宝贵的视角，并为保护用于储能设备的不稳定高容量正极提供了指导。
An Air-Stable High-Nickel Cathode with Reinforced Electrochemical Performance Enabled by Convertible Amorphous Li2CO3 Modification. Adv. Mater., 2022, DOI: 10.1002/adma.202108947.
https://doi.org/10.1002/adma.202108947.
Angew. Chem. Int. Ed.：富Ni层状氧化物正极材料揭示竞争性掺杂化学
利用杂原子掺杂剂对电极材料进行化学改性对于提高可再充电电池的存储性能至关重要，其中不同掺杂剂的电子构型显着影响它们之间的化学相互作用以及它们与主体材料的化学键合，但其背后的机制仍不清楚。基于此，中科院化学研究所郭玉国研究员和殷雅侠研究员（共同通讯作者）等人报道了以富Ni正极材料（LiNi0.88Co0.09Mn0.03O2, NCM）为模型，揭示了IIIA族元素（硼和铝）的竞争性掺杂化学。
作为IIIA族元素，硼（B）和铝（Al）具有相同的价电子数量，但两者的原子半径不相同（γ(B)＜γ(Al)），因此B与晶格氧结合时表现出更高的键能和不同的杂化轨道空间构型。根据密度泛函理论（DFT）计算和结构表征发现，Al(III)优先与氧结合，Al(III)易于从原化合物中解离并在体中扩散，而B(III)的扩散在Al预掺杂晶格中受到阻碍，因此Al(III)显示出比B(III)低得多的扩散势垒。作者揭示了B和Al两种元素的竞争性掺杂机制，其中Al进入本体，B倾向于留在NCM颗粒表面，从而可以形成富含B的表面和富含Al的体相。
测试结果表明，改性后的正极材料具有更好的体积和表面稳定性。此外，正极材料中掺杂位点和深度的精确控制有助于抑制高压运行过程中不利的体相变和表面重构，并且有助于制备具有稳定循环性能的高能NCM正极。该工作为开发用于可再充电电池的高性能电极材料提供了一种合理的方法，同时也可以激发关于新的共掺杂化学的相关研究，例如掺杂有Ge和Sn等IVA族元素的硅基负极材料。
Competitive Doping Chemistry for Nickel-Rich Layered Oxide Cathode Materials. Angew. Chem. Int. Ed., 2022, DOI: 10.1002/anie.202116865.
https://doi.org/10.1002/anie.202116865.
Adv. Funct. Mater.：钠离子电池中空气稳定和高倍率O3层状氧化物正极的通用策略
O3型层状氧化物是一种极具吸引力的高容量正极，其固有的空气敏感性和缓慢的动力学特性源于空气暴露期间晶格Na的自发提取和Na+扩散过渡态的高四面体位点能量。更糟糕的是，由于空气稳定机制中提出的钠抑制和动力学策略中提到的钠扩散增强之间的矛盾，很难同时实现这两个障碍的改善。基于此，中科院化学研究所郭玉国研究员、福建师范大学黄志高教授和姚胡蓉副教授（共同通讯作者）等人报道了在晶格中引入适当Na空位的简单策略可以同时实现双重性能改善。
具体原因如下：1）Na的缺乏可以增加过渡金属离子的价态，从而提高材料的抗氧化性，抑制材料与空气之间不利的自发反应；2）晶格中的Na空位在动力学上是有利的，因为它们促进Na+从hard oxygen dumbbell hop（ODH）转变为facile tetrahedral site hop（TSH）；3）由于带正电的钠离子对相邻氧层的屏蔽作用降低，Na空位会显着降低更宽层间距内的四面体位点能量。
因此，作者合成了Na缺乏的Na0.93Li0.12Ni0.25Fe0.15Mn0.48O2（即Na0.93LNFM）材料和常规的NaLi0.12Ni0.25Fe0.15Mn0.48O2（即NaLNFM）作为对比。结果表明，晶体结构中适当的Na空位不仅有效地提高了层状氧化物对环境空气的化学稳定性，而且在不牺牲比容量的情况下提高了在Na沉积/剥离过程中Na+的迁移率。
基于电荷密度差计算、扫描电子显微镜（SEM）、化学滴定和X射线光电子能谱（XPS）分析的综合表征，发现Na空位的存在降低了过渡金属离子周围的电荷密度，抑制了堆积结构的不利演变和老化材料表面残留碱物质的形成。
此外，通过密度泛函理论（DFT）计算、原位X射线衍射（XRD）和像差校正扫描透射电子显微镜（STEM）技术的系统表征，证实了O3结构的扩大层间距，迁移势垒从1000 meV显着降低到了300 meV。
因此，与NaTmO2材料相比，具有适当Na空位的NaxTmO2具有双重性能改进，在暴露于空气后具有更高的容量保持率、更低的界面电阻、循环过程中高度可逆的结构演变，在40 mA g-1的电流密度下表现出130.1 mAh g-1的高比容量，并在2000 mA g-1下具有70.8%容量保持率的优异倍率性能。值得注意的是，缺Na策略具有很好的通用性，可以实现各种O3型Na基层状氧化物材料的双重性能优化，这为设计有前途的实用钠离子电池（NIBs）O3层状氧化物正极材料提供了新的见解。
A Universal Strategy toward Air-Stable and High-Rate O3 Layered Oxide Cathodes for Na-Ion Batteries. Adv. Funct. Mater., 2022, DOI: 10.1002/adfm.202111466.
https://doi.org/10.1002/adfm.202111466.
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