崔屹，斯坦福大学材料科学与工程系教授，斯坦福能源中心首位华裔主任，《Nano Letters》副主编，MRS、ACS、APS、ECS、NYAS、AAAS和IEEE会士，美国湾区太阳能光伏联盟和美国电池500联盟的主任。1998年就读于中国科学技术大学，1998-2002年就读于美国哈佛大学，2003-2005年间在加州大学伯克利分校从事博士后研究工作并于2005年任职于斯坦福大学材料科学与工程系助理教授，2010年获得了终身教授职位。先后在Science、Nature、Nature Nanotechnology、Nature Materials、Nature Chemistry、Nature Energy、Joule、JACS等世界顶级期刊发表高水平论文600余篇，被引次数20万+，H指数为216。2014年被汤姆斯路透评为材料科学领域排名第一的“当今最热研究人员”。所获奖项包括：Ernest Orlando Lawrence 奖（2021）、ECS Battery Technology 奖（2019）、International Automotive Lithium Battery Association’s Research 奖（2019）、Dan Maydan in Nanoscience 奖(2019)、Nano Today奖(2019)、Blavatnik国家奖(2017)、MRS Kavli Distinguished Lectureship in Nanoscience 奖(2015)、the Sloan Research Fellowship奖(2010)、KAUST Research 奖(2008)、ONR Young Research 奖 (2008)、Technology Review World Top Young Innovator 奖(2004)。目前，已创立三家公司来实现团队技术商业化:Amprius Inc.、4C Air Inc.和Enovate Technology Inc.。课题组主页：http://web.stanford.edu/group/cui_group/index.htm下面笔者简单盘点了2021年上半年崔屹教授的重要工作进展，以供大家参考！
01
Nat. Energy：厚度可控的超薄锂金属助力锂电池
薄(≤20 μm)且自支撑的锂金属箔能够对负极材料和高能量密度锂电池进行精确的预锂化。但是，现有的工艺方法十分有限，制备的锂金属箔要么太厚（通常为50-750 μm），要么面临着机械脆性。斯坦福大学崔屹教授等人开发了一种简便且可扩展的工艺，用于合成超薄（0.5-20 μm）、自支撑且机械坚固的锂金属箔。其具体做法是，首先，采用可调的压延工艺将还原氧化石墨烯（rGO）的厚度降低到0.3-20 μm。然后，通过将熔融锂边缘接触到rGO来加载金属锂。结果，锂分布在rGO的内部通道中，而rGO保持微米级厚度。除了0.1-3.7 mAh cm-2的低面容量外，这种锂箔比传统的纯锂金属箔具有更高的机械强度。作为补偿石墨和硅负极中锂初始损失的理想材料，该锂箔可以将石墨（93%）和硅（79.4%）负极的初始库仑效率提高到100%左右，而不会产生过量的锂残留物，并将锂离子电池的容量提高8%。此外，这种薄锂复合负极使锂金属全电池的循环寿命延长了9倍。Free-standing ultrathin lithium metal–graphene oxide host foils with controllable thickness for lithium batteries. Nature Energy 2021. DOI: 10.1038/s41560-021-00833-6
可充锂金属电池的应用必须具有较长的循环寿命和日历寿命（在开路储存期间保持容量）。但是，人们通常特别强调延长锂金属负极的循环寿命，但对日历老化却了解较少。斯坦福大学崔屹教授、鲍哲南教授等人量化了日历老化对各种电解质中锂金属负极可充电性的影响。研究发现，无论电解质化学性质如何，锂金属在24小时的日历老化过程中通常会丧失2-3%的容量。低温透射电子显微镜显示，锂的化学腐蚀和固态电解质界面（SEI）的持续生长导致了这些容量的损失。容量损失的大小与SEI的生长速率和Li在每种电解质中的表面积有关。高CE电解质有效地减少了Li的表面积，但它们不一定减少SEI的增长速度。因此，作者指出未来的电解质必须同时最大限度地减少腐蚀和表面积。此外，应努力重用之前循环中的现有 SEI，以尽量减少日历老化对锂金属电池循环寿命的影响。Corrosion of lithium metal anodes during calendar ageing and its microscopic origins. Nature Energy 2021. DOI: 10.1038/s41560-021-00787-9.
04
Adv. Mater.：3D人工SEI通过绝缘-导电-绝缘分层异质结构助力锂金属负极
尽管为防止锂枝晶生长付出了大量努力，但由于液态电解液与锂直接接触，锂金属负极的稳定循环仍然非常困难。合理设计3D电极的固态电解质界面（SEI）是防止锂金属电池中锂枝晶生长和避免锂-电解质副反应的一种很有前景但仍具有挑战性的策略。斯坦福大学崔屹教授、北京航空航天大学宫勇吉教授等人利用夹有g-C3N4/石墨烯/g-C3N4绝缘-导电-绝缘的纳米片来构建3D结构，以引导石墨烯和g-C3N4之间范德华间隙中的均匀锂沉积/剥离，其功能可被视为3D人工SEI。g-C3N4/石墨烯/g-C3N4复合电极的设计具有许多优点。首先，与二维平面电极相比，3D石墨烯骨架可以有效降低锂沉积/剥离过程中局部的电流密度和体积变化，从而保持整个电极的结构稳定性。第二，Li不会沉积在表面的g-C3N4，因为它是高度绝缘。其次，作为一种均匀的SEI，g-C3N4层不仅可以为Li的成核提供足够的位置，而且可以通过结构纳米孔调控Li在石墨烯和g-C3N4之间范德华间隙中的沉积。此外，g-C3N4的非晶态性质确保了其高均匀性，没有脆弱的晶界。因此，使用g-C3N4层修饰的3D负极能够在高正极负载、有限锂过量和贫电解质条件下实现长期锂沉积，并具有高库仑效率和全电池的稳定循环。3D Artificial Solid-Electrolyte Interphase for Lithium Metal Anodes Enabled by Insulator–Metal–Insulator Layered Heterostructures. Adv. Mater. 2021. DOI: 10.1002/adma.202006247.
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Nano Lett.：电解液不溶性双材料协同提高锂离子电池的安全性
随着对更高能量密度存储设备需求的不断增长，与锂离子电池相关的安全问题备受关注。尽管在电解液中添加阻燃剂（FRs）可以减少火灾危险，但通常需要大量的FRs，它们会严重影响电池的性能。斯坦福大学崔屹教授等人报道了一种可行的方法来平衡阻燃性和电化学性能，即在商业电池隔膜上涂覆电解液不溶性阻燃剂。具体是选择了两种材料，采用双管齐下的方法，通过十溴二苯乙烷（DBDPE）的卤素自由基清除机制来延缓电池火灾，并协同Sb2O3产生的浓密SbBr3烟雾通过排除氧气来灭火。开发的复合隔膜在软包电池中的阻燃性能是传统聚烯烃隔膜的四倍，并通过了针刺测试。与传统在电解液中添加FR的策略相比，该隔膜涂层工艺具有一些优势：首先，不溶于电解液的FR添加剂对电池的电化学性能影响最小，因为它们不会溶解在电解液中改变固有的电解液性能；第二，作为陶瓷颗粒涂层的固体涂层增强了商品化隔膜的热稳定性；第三，复合隔膜可以继承底层聚烯烃基底的良好机械性能，并且可以很容易地进行商业化应用。Electrolyte-Resistant Dual Materials for the Synergistic Safety Enhancement of Lithium-Ion Batteries. Nano Lett. 2021. DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c04568.
06
J. Am. Chem. Soc.：叉指状金属/固态电解质结构实现超高电流密度下电池循环
金属负极是下一代高能量密度可充电池的首选。然而，包括电极体积变化和不可避免的副反应在内的艰巨挑战阻碍了它们成为一种可行的技术。斯坦福大学崔屹教授、华中科技大学孙永明教授等人采用了一种简便的置换反应来制备三维(3D)叉指状金属/固态电解质复合电极，它不仅可提供稳定的主体结构以缓冲复合材料内的体积变化，而且通过避免活性金属和液态电解液之间的直接接触来防止副反应。作为概念验证，通过锌金属箔与氯化铟溶液之间的电偶置换反应及后续电化学活化，制备了3D叉指状Zn金属/固态电解质结构，其具有金属Zn和无定形硫酸氢氧化铟（IHS）之间的交指，具有高Zn2+电导率（56.9 ± 1.8 mS cm–1）、大Zn2+迁移数（0.55）和高电阻率[(2.08 ± 0.01) × 103 Ω cm]。所设计的Zn/IHS电极在1 mA cm–2和0.5 mAh cm–2下保持稳定的电化学Zn沉积/剥离超过700次循环，并具有8 mV的超低过电位。更令人印象深刻的是，它在超高电流密度和面积容量（20 mA cm–2，20 mAh cm–2）下表现出低过电位为10 mV的循环稳定性能，其性能优于所有报道的在温和水系电解液中的锌金属电极。叉指状金属/固态电解质的制造可推广到其他金属对，包括Zn/Sn和Zn/Co，这为具有高能量密度和可逆性的下一代Zn金属电池提供了灵感。A Replacement Reaction Enabled Interdigitated Metal/Solid Electrolyte Architecture for Battery Cycling at 20 mA cm–2 and 20 mAh cm–2. J. Am. Chem. Soc. 2021. DOI: 10.1021/jacs.0c11753
07
ACS Energy Lett.：阴离子衍生SEI骨架助力广压力范围下高效锂金属循环
为了提高锂金属负极的循环性能，人们开发了先进的电解质，但其作用机理尚不清楚。斯坦福大学崔屹教授、鲍哲南教授等人采用无负极软包电池研究了1M LiPF6/EC-DEC 和1M LiFSI-FDMB（氟代1，4-二甲氧基丁烷）两种电解液中锂金属在压力下的循环性能。研究发现，对于1M LiPF6/EC-DEC体系，容量保持率和CE都随着循环压力的增加而不断增长。相比之下，对于1M LiFSI/FDMB体系，容量保持率和CE对压力的响应非常弱。这是因为在传统的1 M LiPF6/EC-DEC电解液中，残余固态电解质界面（rSEI）由聚合物骨架组成，阻止了锂金属的渗透，因此只能沉积在下面。增加压力可以通过机械压实锂金属层，促进更均匀的锂沉积形态和更高的库仑效率（CE）。而在1M LiFSI/FDMB电解液中，rSEI主要由阴离子衍生的物种和累积的LiF纳米粒子组成。锂可以穿过rSEI层在外表面生长成平面形态，从而促进稳定致密的锂沉积。这种阴离子衍生的rSEI化学可能是延长锂金属电池循环寿命的关键，应在未来的电解液设计中大力研究。Efficient Lithium Metal Cycling over a Wide Range of Pressures from an Anion-Derived Solid-Electrolyte Interphase Framework. ACS Energy Lett. 2021. DOI: 10.1021/acsenergylett.0c02533.
08
J. Am. Chem. Soc.：锂离子溶剂化结构与电极电位温度系数的相关性
电化学电池电压或单个电极电势的温度系数（TCs）已被广泛用于研究锂离子电池的热安全性和正/负极相变。然而，单电极电势TC的基本意义尚不清楚。斯坦福大学崔屹教授、阿贡国家实验室Anh T. Ngo研究员等人系统地研究了电解液溶剂、盐和浓度对Li/Li+电极电位TC的影响，建立了Li/Li+电极电位TC与锂离子溶剂化结构的直接关系。研究发现，在相同浓度下，LiTFSI/DOL-DME电解液中的TC比LiPF6/EC-DEC电解液中的要大得多。此外，随着电解液浓度的增加，LiTFSI/DOL-DME电解液中的TC降低，而LiPF6/EC-DEC电解液中的TC几乎保持不变。利用AIMD模拟，作者解析了不同电解液体系中的锂离子溶剂化结构和能量学，阐明了实验观测的物理来源。特别是锂离子与溶剂分子之间的配位构型以及溶剂介电常数是导致不同TC结果的关键因素。此外，作者还发现，在1M以下，锂盐对Li/Li+TC的影响较弱，但浓度越高，影响越明显。这项研究结果表明，单电极电位TC的测量可以提供有关相应电解液中溶剂化环境的有价值的信息。结合其他表征工具，它可以作为一个有用的描述符来筛选各种电池系统的新型电解液。Correlating Li-Ion Solvation Structures and Electrode Potential Temperature Coefficients. J. Am. Chem. Soc. 2021. DOI: 10.1021/jacs.0c10587
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Nano Lett.：无负极 Zn-MnO2电池
水系锌基电池（AZB）因其低成本、高理论容量而备受青睐。然而，迄今为止开发的锌基电池均使用了过量的锌（即厚锌金属负极），这会降低整个电池的能量密度。无负极设计可以显著提高电池能量密度，但将非活性集流体（如铜箔）直接用于无负极AZB，会导致低库仑效率和不可控的枝晶生长。斯坦福大学崔屹教授、阿卜杜拉国王科技大学Husam N. Alshareef教授等人展示了一种无负极设计（即零过量锌），它是通过采用纳米碳成核层实现的。在该设计中，碳纳米盘的成核层首先通过简单的水处理涂覆到铜箔上。铜箔被用作集流体，因为它对竞争性析氢反应 (HER) 无活性，同时在各种电解质中具有显着的稳定性。该成核层的作用是促进均匀的 Zn 沉积，同时降低成核能垒。电化学研究表明，这种设计可以在一定的电流密度和镀容量范围内实现高效稳定的均匀电沉积。采用这种无负极配置，作者展示了一个Zn-MnO2模型电池，其经过80次循环后容量保持率为68.2%。该无负极设计为在储能系统中实施AZB开辟了新方向。An Anode-Free Zn–MnO2 Battery. Nano Lett. 2021. DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c04519
