崔屹，斯坦福大學材料科學與工程系教授，斯坦福能源中心首位華裔主任，《Nano Letters》副主編，MRS、ACS、APS、ECS、NYAS、AAAS和IEEE會士，美國灣區太陽能光伏聯盟和美國電池500聯盟的主任。1998年就讀于中國科學技術大學，1998-2002年就讀于美國哈佛大學，2003-2005年間在加州大學伯克利分校從事博士后研究工作并于2005年任職于斯坦福大學材料科學與工程系助理教授，2010年獲得了終身教授職位。先后在Science、Nature、Nature Nanotechnology、Nature Materials、Nature Chemistry、Nature Energy、Joule、JACS等世界頂級期刊發表高水平論文600余篇，被引次數20萬+，H指數為216。2014年被湯姆斯路透評為材料科學領域排名第一的“當今最熱研究人員”。所獲獎項包括：Ernest Orlando Lawrence 獎（2021）、ECS Battery Technology 獎（2019）、International Automotive Lithium Battery Association’s Research 獎（2019）、Dan Maydan in Nanoscience 獎(2019)、Nano Today獎(2019)、Blavatnik國家獎(2017)、MRS Kavli Distinguished Lectureship in Nanoscience 獎(2015)、the Sloan Research Fellowship獎(2010)、KAUST Research 獎(2008)、ONR Young Research 獎 (2008)、Technology Review World Top Young Innovator 獎(2004)。目前，已創立三家公司來實現團隊技術商業化:Amprius Inc.、4C Air Inc.和Enovate Technology Inc.。課題組主頁：http://web.stanford.edu/group/cui_group/index.htm下面筆者簡單盤點了2021年上半年崔屹教授的重要工作進展，以供大家參考！
01
Nat. Energy：厚度可控的超薄鋰金屬助力鋰電池
薄(≤20?μm)且自支撐的鋰金屬箔能夠對負極材料和高能量密度鋰電池進行精確的預鋰化。但是，現有的工藝方法十分有限，制備的鋰金屬箔要么太厚（通常為50-750?μm），要么面臨著機械脆性。斯坦福大學崔屹教授等人開發了一種簡便且可擴展的工藝，用于合成超薄（0.5-20 μm）、自支撐且機械堅固的鋰金屬箔。其具體做法是，首先，采用可調的壓延工藝將還原氧化石墨烯（rGO）的厚度降低到0.3-20?μm。然后，通過將熔融鋰邊緣接觸到rGO來加載金屬鋰。結果，鋰分布在rGO的內部通道中，而rGO保持微米級厚度。除了0.1-3.7 mAh cm-2的低面容量外，這種鋰箔比傳統的純鋰金屬箔具有更高的機械強度。作為補償石墨和硅負極中鋰初始損失的理想材料，該鋰箔可以將石墨（93%）和硅（79.4%）負極的初始庫侖效率提高到100%左右，而不會產生過量的鋰殘留物，并將鋰離子電池的容量提高8%。此外，這種薄鋰復合負極使鋰金屬全電池的循環壽命延長了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
可充鋰金屬電池的應用必須具有較長的循環壽命和日歷壽命（在開路儲存期間保持容量）。但是，人們通常特別強調延長鋰金屬負極的循環壽命，但對日歷老化卻了解較少。斯坦福大學崔屹教授、鮑哲南教授等人量化了日歷老化對各種電解質中鋰金屬負極可充電性的影響。研究發現，無論電解質化學性質如何，鋰金屬在24小時的日歷老化過程中通常會喪失2-3%的容量。低溫透射電子顯微鏡顯示，鋰的化學腐蝕和固態電解質界面（SEI）的持續生長導致了這些容量的損失。容量損失的大小與SEI的生長速率和Li在每種電解質中的表面積有關。高CE電解質有效地減少了Li的表面積，但它們不一定減少SEI的增長速度。因此，作者指出未來的電解質必須同時最大限度地減少腐蝕和表面積。此外，應努力重用之前循環中的現有 SEI，以盡量減少日歷老化對鋰金屬電池循環壽命的影響。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通過絕緣-導電-絕緣分層異質結構助力鋰金屬負極
盡管為防止鋰枝晶生長付出了大量努力，但由于液態電解液與鋰直接接觸，鋰金屬負極的穩定循環仍然非常困難。合理設計3D電極的固態電解質界面（SEI）是防止鋰金屬電池中鋰枝晶生長和避免鋰-電解質副反應的一種很有前景但仍具有挑戰性的策略。斯坦福大學崔屹教授、北京航空航天大學宮勇吉教授等人利用夾有g-C3N4/石墨烯/g-C3N4絕緣-導電-絕緣的納米片來構建3D結構，以引導石墨烯和g-C3N4之間范德華間隙中的均勻鋰沉積/剝離，其功能可被視為3D人工SEI。g-C3N4/石墨烯/g-C3N4復合電極的設計具有許多優點。首先，與二維平面電極相比，3D石墨烯骨架可以有效降低鋰沉積/剝離過程中局部的電流密度和體積變化，從而保持整個電極的結構穩定性。第二，Li不會沉積在表面的g-C3N4，因為它是高度絕緣。其次，作為一種均勻的SEI，g-C3N4層不僅可以為Li的成核提供足夠的位置，而且可以通過結構納米孔調控Li在石墨烯和g-C3N4之間范德華間隙中的沉積。此外，g-C3N4的非晶態性質確保了其高均勻性，沒有脆弱的晶界。因此，使用g-C3N4層修飾的3D負極能夠在高正極負載、有限鋰過量和貧電解質條件下實現長期鋰沉積，并具有高庫侖效率和全電池的穩定循環。3D Artificial Solid-Electrolyte Interphase for Lithium Metal Anodes Enabled by Insulator–Metal–Insulator Layered Heterostructures. Adv. Mater. 2021. DOI: 10.1002/adma.202006247.
05
Nano Lett.：電解液不溶性雙材料協同提高鋰離子電池的安全性
隨著對更高能量密度存儲設備需求的不斷增長，與鋰離子電池相關的安全問題備受關注。盡管在電解液中添加阻燃劑（FRs）可以減少火災危險，但通常需要大量的FRs，它們會嚴重影響電池的性能。斯坦福大學崔屹教授等人報道了一種可行的方法來平衡阻燃性和電化學性能，即在商業電池隔膜上涂覆電解液不溶性阻燃劑。具體是選擇了兩種材料，采用雙管齊下的方法，通過十溴二苯乙烷（DBDPE）的鹵素自由基清除機制來延緩電池火災，并協同Sb2O3產生的濃密SbBr3煙霧通過排除氧氣來滅火。開發的復合隔膜在軟包電池中的阻燃性能是傳統聚烯烴隔膜的四倍，并通過了針刺測試。與傳統在電解液中添加FR的策略相比，該隔膜涂層工藝具有一些優勢：首先，不溶于電解液的FR添加劑對電池的電化學性能影響最小，因為它們不會溶解在電解液中改變固有的電解液性能；第二，作為陶瓷顆粒涂層的固體涂層增強了商品化隔膜的熱穩定性；第三，復合隔膜可以繼承底層聚烯烴基底的良好機械性能，并且可以很容易地進行商業化應用。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.：叉指狀金屬/固態電解質結構實現超高電流密度下電池循環
金屬負極是下一代高能量密度可充電池的首選。然而，包括電極體積變化和不可避免的副反應在內的艱巨挑戰阻礙了它們成為一種可行的技術。斯坦福大學崔屹教授、華中科技大學孫永明教授等人采用了一種簡便的置換反應來制備三維(3D)叉指狀金屬/固態電解質復合電極，它不僅可提供穩定的主體結構以緩沖復合材料內的體積變化，而且通過避免活性金屬和液態電解液之間的直接接觸來防止副反應。作為概念驗證，通過鋅金屬箔與氯化銦溶液之間的電偶置換反應及后續電化學活化，制備了3D叉指狀Zn金屬/固態電解質結構，其具有金屬Zn和無定形硫酸氫氧化銦（IHS）之間的交指，具有高Zn2+電導率（56.9 ± 1.8 mS cm–1）、大Zn2+遷移數（0.55）和高電阻率[(2.08 ± 0.01) × 103 Ω cm]。所設計的Zn/IHS電極在1 mA cm–2和0.5 mAh cm–2下保持穩定的電化學Zn沉積/剝離超過700次循環，并具有8 mV的超低過電位。更令人印象深刻的是，它在超高電流密度和面積容量（20 mA cm–2，20 mAh cm–2）下表現出低過電位為10 mV的循環穩定性能，其性能優于所有報道的在溫和水系電解液中的鋅金屬電極。叉指狀金屬/固態電解質的制造可推廣到其他金屬對，包括Zn/Sn和Zn/Co，這為具有高能量密度和可逆性的下一代Zn金屬電池提供了靈感。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.：陰離子衍生SEI骨架助力廣壓力范圍下高效鋰金屬循環
為了提高鋰金屬負極的循環性能，人們開發了先進的電解質，但其作用機理尚不清楚。斯坦福大學崔屹教授、鮑哲南教授等人采用無負極軟包電池研究了1M LiPF6/EC-DEC 和1M LiFSI-FDMB（氟代1，4-二甲氧基丁烷）兩種電解液中鋰金屬在壓力下的循環性能。研究發現，對于1M LiPF6/EC-DEC體系，容量保持率和CE都隨著循環壓力的增加而不斷增長。相比之下，對于1M LiFSI/FDMB體系，容量保持率和CE對壓力的響應非常弱。這是因為在傳統的1 M LiPF6/EC-DEC電解液中，殘余固態電解質界面（rSEI）由聚合物骨架組成，阻止了鋰金屬的滲透，因此只能沉積在下面。增加壓力可以通過機械壓實鋰金屬層，促進更均勻的鋰沉積形態和更高的庫侖效率（CE）。而在1M LiFSI/FDMB電解液中，rSEI主要由陰離子衍生的物種和累積的LiF納米粒子組成。鋰可以穿過rSEI層在外表面生長成平面形態，從而促進穩定致密的鋰沉積。這種陰離子衍生的rSEI化學可能是延長鋰金屬電池循環壽命的關鍵，應在未來的電解液設計中大力研究。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.：鋰離子溶劑化結構與電極電位溫度系數的相關性
電化學電池電壓或單個電極電勢的溫度系數（TCs）已被廣泛用于研究鋰離子電池的熱安全性和正/負極相變。然而，單電極電勢TC的基本意義尚不清楚。斯坦福大學崔屹教授、阿貢國家實驗室Anh T. Ngo研究員等人系統地研究了電解液溶劑、鹽和濃度對Li/Li+電極電位TC的影響，建立了Li/Li+電極電位TC與鋰離子溶劑化結構的直接關系。研究發現，在相同濃度下，LiTFSI/DOL-DME電解液中的TC比LiPF6/EC-DEC電解液中的要大得多。此外，隨著電解液濃度的增加，LiTFSI/DOL-DME電解液中的TC降低，而LiPF6/EC-DEC電解液中的TC幾乎保持不變。利用AIMD模擬，作者解析了不同電解液體系中的鋰離子溶劑化結構和能量學，闡明了實驗觀測的物理來源。特別是鋰離子與溶劑分子之間的配位構型以及溶劑介電常數是導致不同TC結果的關鍵因素。此外，作者還發現，在1M以下，鋰鹽對Li/Li+TC的影響較弱，但濃度越高，影響越明顯。這項研究結果表明，單電極電位TC的測量可以提供有關相應電解液中溶劑化環境的有價值的信息。結合其他表征工具，它可以作為一個有用的描述符來篩選各種電池系統的新型電解液。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.：無負極 Zn-MnO2電池
水系鋅基電池（AZB）因其低成本、高理論容量而備受青睞。然而，迄今為止開發的鋅基電池均使用了過量的鋅（即厚鋅金屬負極），這會降低整個電池的能量密度。無負極設計可以顯著提高電池能量密度，但將非活性集流體（如銅箔）直接用于無負極AZB，會導致低庫侖效率和不可控的枝晶生長。斯坦福大學崔屹教授、阿卜杜拉國王科技大學Husam N. Alshareef教授等人展示了一種無負極設計（即零過量鋅），它是通過采用納米碳成核層實現的。在該設計中，碳納米盤的成核層首先通過簡單的水處理涂覆到銅箔上。銅箔被用作集流體，因為它對競爭性析氫反應 (HER) 無活性，同時在各種電解質中具有顯著的穩定性。該成核層的作用是促進均勻的 Zn 沉積，同時降低成核能壘。電化學研究表明，這種設計可以在一定的電流密度和鍍容量范圍內實現高效穩定的均勻電沉積。采用這種無負極配置，作者展示了一個Zn-MnO2模型電池，其經過80次循環后容量保持率為68.2%。該無負極設計為在儲能系統中實施AZB開辟了新方向。An Anode-Free Zn–MnO2 Battery. Nano Lett. 2021. DOI: 10.1021/acs.nanolett.0c04519
