郭玉國，研究員（二級），國科大崗位教授，博導，“杰青”，“國家重點研發計劃”首席科學家。2007年加入中科院分子納米結構與納米技術院重點實驗室任研究員、博士生導師、課題組長。2012年獲得國家杰出青年基金資助，2016年入選科技部創新人才推進計劃。應邀擔任美國化學會ACS Applied Materials & Interfaces副主編， Nano Research、Energy Storage Materials、Chem Electro Chem、Solid State Ionics、eScience、《中國科學：化學》、《電化學》、《儲能科學與技術》等10余種國內外期刊的編委。
郭老師長期從事能源電化學與納米材料的交叉研究，在高比能鋰離子電池、鋰-硫電池、固態電池、鈉離子電池等電池技術及其關鍵材料方面取得一些研究成果，致力于推動基礎研究成果的實際應用，開發出的高性能硅基負極材料實現了產業化。在Nat. Mater.、Nat. Energy、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Chem、Joule、Energy Environ. Sci.等期刊上發表SCI論文超過350篇，他人SCI引用超過40000次，h-index為106，2014-2020連續七年被科睿唯安評選為全球“高被引科學家”，出版電池材料方面英文專著1部，并著有英文專著章節1章。
在2022年2月7日—2月9日，郭玉國團隊與其他課題組合作分別在Adv. Mater.（IF=30.849）、Angew. Chem. Int. Ed.（IF=15.336）和Adv. Funct. Mater.（IF=18.808）上發表了最新成果。下面，對這三篇成果進行簡要的介紹，以供大家學習和了解！
Adv. Mater.：可轉換的非晶態Li2CO3改性助力增強電化學性能且空氣穩定的高鎳正極
具有高比容量的高鎳（Ni≥90%）正極為下一代鋰離子電池（LIBs）的發展提供了具有巨大的潛力，但是在連續空氣侵蝕和電解液侵蝕條件下，高界面反應性限制了其實際的應用。基于此，中科院化學研究所郭玉國研究員和石吉磊副研究員（共同通訊作者）等人報道了一種通過預先控制氣氛，在顆粒表面原位誘導致密的非晶態Li2CO3，合理地設計了一種穩定的高Ni正極。
在文中，作者通過退火過程中的O2/CO2氣氛調節，實現了將殘余鋰（Li）定向預構建為LiNi0.9Co0.06Mn0.04O2顆粒表面的非晶態Li2CO3保護層。其中，Li2CO3是一種熱力學最穩定的殘留鋰化合物，因此致密的Li2CO3涂層可作為物理保護層，將正極與潮濕空氣隔離開來，從而減少LiOH等其他有害殘留鋰化合物的產生，進而提高正極的空氣穩定性。在循環過程中，非晶態Li2CO3可以消耗電解質分解產生的HF，有利于在電化學過程中形成穩定的富F正極電解質界面（cathode electrolyte interphase, CEI），從而增強了正極的界面穩定性并提高了電化學性能。
實驗測試發現，經非晶態Li2CO3改性的LiNi0.9Co0.06Mn0.04O2（N90@Li2CO3）表現出優異的性能，包括存儲過程中的空氣穩定性和LIBs的電化學穩定性。利用這種改性正極組裝的紐扣電池可以提供232.4 mAh g-1的高放電容量，具有95.1%的出色初始庫侖效率（CE）和100次循環后90.4%的容量保持率。此外，在大規模電極制造過程中不會發生漿料凝膠化。該工作為LIBs中非晶態Li2CO3的演變開辟了寶貴的視角，并為保護用于儲能設備的不穩定高容量正極提供了指導。
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層狀氧化物正極材料揭示競爭性摻雜化學
利用雜原子摻雜劑對電極材料進行化學改性對于提高可再充電電池的存儲性能至關重要，其中不同摻雜劑的電子構型顯著影響它們之間的化學相互作用以及它們與主體材料的化學鍵合，但其背后的機制仍不清楚。基于此，中科院化學研究所郭玉國研究員和殷雅俠研究員（共同通訊作者）等人報道了以富Ni正極材料（LiNi0.88Co0.09Mn0.03O2, NCM）為模型，揭示了IIIA族元素（硼和鋁）的競爭性摻雜化學。
作為IIIA族元素，硼（B）和鋁（Al）具有相同的價電子數量，但兩者的原子半徑不相同（γ(B)＜γ(Al)），因此B與晶格氧結合時表現出更高的鍵能和不同的雜化軌道空間構型。根據密度泛函理論（DFT）計算和結構表征發現，Al(III)優先與氧結合，Al(III)易于從原化合物中解離并在體中擴散，而B(III)的擴散在Al預摻雜晶格中受到阻礙，因此Al(III)顯示出比B(III)低得多的擴散勢壘。作者揭示了B和Al兩種元素的競爭性摻雜機制，其中Al進入本體，B傾向于留在NCM顆粒表面，從而可以形成富含B的表面和富含Al的體相。
測試結果表明，改性后的正極材料具有更好的體積和表面穩定性。此外，正極材料中摻雜位點和深度的精確控制有助于抑制高壓運行過程中不利的體相變和表面重構，并且有助于制備具有穩定循環性能的高能NCM正極。該工作為開發用于可再充電電池的高性能電極材料提供了一種合理的方法，同時也可以激發關于新的共摻雜化學的相關研究，例如摻雜有Ge和Sn等IVA族元素的硅基負極材料。
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.：鈉離子電池中空氣穩定和高倍率O3層狀氧化物正極的通用策略
O3型層狀氧化物是一種極具吸引力的高容量正極，其固有的空氣敏感性和緩慢的動力學特性源于空氣暴露期間晶格Na的自發提取和Na+擴散過渡態的高四面體位點能量。更糟糕的是，由于空氣穩定機制中提出的鈉抑制和動力學策略中提到的鈉擴散增強之間的矛盾，很難同時實現這兩個障礙的改善。基于此，中科院化學研究所郭玉國研究員、福建師范大學黃志高教授和姚胡蓉副教授（共同通訊作者）等人報道了在晶格中引入適當Na空位的簡單策略可以同時實現雙重性能改善。
具體原因如下：1）Na的缺乏可以增加過渡金屬離子的價態，從而提高材料的抗氧化性，抑制材料與空氣之間不利的自發反應；2）晶格中的Na空位在動力學上是有利的，因為它們促進Na+從hard oxygen dumbbell hop（ODH）轉變為facile tetrahedral site hop（TSH）；3）由于帶正電的鈉離子對相鄰氧層的屏蔽作用降低，Na空位會顯著降低更寬層間距內的四面體位點能量。
因此，作者合成了Na缺乏的Na0.93Li0.12Ni0.25Fe0.15Mn0.48O2（即Na0.93LNFM）材料和常規的NaLi0.12Ni0.25Fe0.15Mn0.48O2（即NaLNFM）作為對比。結果表明，晶體結構中適當的Na空位不僅有效地提高了層狀氧化物對環境空氣的化學穩定性，而且在不犧牲比容量的情況下提高了在Na沉積/剝離過程中Na+的遷移率。
基于電荷密度差計算、掃描電子顯微鏡（SEM）、化學滴定和X射線光電子能譜（XPS）分析的綜合表征，發現Na空位的存在降低了過渡金屬離子周圍的電荷密度，抑制了堆積結構的不利演變和老化材料表面殘留堿物質的形成。
此外，通過密度泛函理論（DFT）計算、原位X射線衍射（XRD）和像差校正掃描透射電子顯微鏡（STEM）技術的系統表征，證實了O3結構的擴大層間距，遷移勢壘從1000 meV顯著降低到了300 meV。
因此，與NaTmO2材料相比，具有適當Na空位的NaxTmO2具有雙重性能改進，在暴露于空氣后具有更高的容量保持率、更低的界面電阻、循環過程中高度可逆的結構演變，在40 mA g-1的電流密度下表現出130.1 mAh g-1的高比容量，并在2000 mA g-1下具有70.8%容量保持率的優異倍率性能。值得注意的是，缺Na策略具有很好的通用性，可以實現各種O3型Na基層狀氧化物材料的雙重性能優化，這為設計有前途的實用鈉離子電池（NIBs）O3層狀氧化物正極材料提供了新的見解。
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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