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人物簡介

兩年連獲院士榮譽，能源領域首席科學家，發(fā)文540余篇，被引3.7萬+，這位大牛值得關注！

孫學良，加拿大西安大略大學終身教授，納米能源材料領域加拿大首席科學家，加拿大皇家科學院和加拿大工程院兩院院士，國際能源科學院常任副主席。1999年獲英國曼徹斯特大學材料化學博士學位，1999-2001年，前往加拿大不列顛哥倫比亞大學從事博士后研究工作，2001-2004年，在加拿大魁北克大學國家科學研究院任助理研究員，2004年以助理教授身份加入加拿大西安大略大學，2008年升為副教授，2012年升為正教授，2016年當選加拿大工程院院士，2017當選加拿大科學院院士。曾獲得：Professional Achievement Awards from Cross-cultural Professionals Association of Canada (2016)、Western Engineering Prize for Achievement in Research (2013)、University Faculty Scholar Award (2010)、Early Researcher Award (2006)等獎項。

主要從事應用于清潔能源領域的納米材料的研究，涉及基礎科學、應用納米技術、新興工程學等領域，以開發(fā)和應用基于納米材料的新型能源系統(tǒng)和器件為研究核心，包括全固態(tài)電池、金屬空氣電池、燃料電池、鋰硫電池以及鋰/鈉離子電池等。在Nat. Energy, Nat. Commun., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem., Energy Environ. Sci., Adv. Mater., Adv. Energy Mater.等國際著名期刊上已發(fā)表論文540余篇，被引次數(shù)超過37000次，H指數(shù)為100。目前擔任Electrochemical Energy Review主編和 Frontier of Energy Storage 副主編。

此外，孫院士還積極參與工業(yè)界的合作研究，其合作者包括國聯(lián)汽車動力電池研究院有限責任公司北美研發(fā)中心（GLABAT-Solid State Battery Inc.）、加拿大巴拉德電源系統(tǒng)公司（Ballard Power Systems）、美國通用汽車公司（General Motors）、加拿大莊信萬豐電池公司（Johnson Matthey Battery，著名的LiFePO₄生產公司）和加拿大國防部等。

下面，小編匯總了孫院士近期的重要研究成果，共10篇，以供大家學習和參考！

AM：鋰離子電池高性能黑磷負極的新見解

黑磷（BP）由于其高電導率和容量而成為鋰離子電池（LIBs）中一種很有前景的負極材料。然而，循環(huán)過程中BP的巨大體積變化會導致容量快速衰減。此外，BP的電化學機理尚不清楚，阻礙了合理設計和制備高性能BP基負極的發(fā)展。

加拿大西安大略大學孫學良院士、Tsun-Kong Sham教授等人報道了一種采用球磨法合成的高性能納米結構BP-石墨-碳納米管復合材料（BP/G/CNTs），并通過基于非原位和原位同步輻射的分析技術詳細地研究了其電化學機制。

BP/G/CNTs復合材料顯示出幾個優(yōu)點：1）碳材料的引入可以提高BP的導電性；2）石墨在循環(huán)過程中可適應BP的體積變化，防止材料粉化；3）碳納米管不僅穩(wěn)定了復合材料的結構，而且為電子和鋰離子提供了通路。因此，BP/G/CNTs 負極在0.15 A g^-1下可提供1375 mAh g^-1的高初始容量，并在450次循環(huán)后保持1031.7 mAh g^-1。在2 A g^-1下循環(huán)3000次后，容量為508.1 mAh g^-1，證明了其出色的高倍率性能。此外，這項工作首次通過非原位X射線衍射(XRD)、X射線吸收光譜(XAS)、X射線發(fā)射光譜、原位XRD、XAS等方式提供直接證據(jù)，展示了BP負極三步鋰化和脫鋰的電化學機理，并揭示了Li₃P₇、LiP和Li₃P的形成。此外，研究還表明了電極的開路弛豫效應。

New Insights into the High-Performance Black Phosphorus Anode for Lithium-Ion Batteries. Advanced Materials 2021. DOI: 10.1002/adma.202101259

AEM：雙鹵素固態(tài)電解質實現(xiàn)先進的高壓全固態(tài)鋰離子電池

具有高氧化穩(wěn)定性的固態(tài)電解質（SEs）對于實現(xiàn)在高電壓下運行的全固態(tài)鋰離子電池（ASSLIB）至關重要。到目前為止，基于鹵化物的SEs因其與正極的兼容性和高離子電導率而成為最有前景的候選者之一。然而，開發(fā)的氯化物和溴化物SEs仍然表現(xiàn)出有限的電化學穩(wěn)定性，不足以用于超高壓運行。

加拿大西安大略大學孫學良院士、Tsun-Kong Sham教授、美國馬里蘭大學莫一非教授等人通過設計雙鹵素鋰離子導體Li₃InCl_4.8F_1.2來解決這一挑戰(zhàn)。

在這里，F(xiàn)被證明可以選擇性地占據(jù)固態(tài)超離子導體(Li₃InCl₆)中的特定晶格位點，以形成新的雙鹵素固態(tài)電解質(DHSE)。隨著F的加入，Li₃InCl_4.8F_1.2 DHSE變得致密，并具有10^-4 S cm^-1的室溫離子電導率。此外，Li₃InCl_4.8F_1.2 DHSE表現(xiàn)出超過6 V（相對于Li/Li⁺）的實用氧化穩(wěn)定性，這可以實現(xiàn)具有良好循環(huán)的高電壓ASSLIB。結合光譜、計算和電化學表征，確定了原位生成的富含F(xiàn)的鈍化正極-電解質界面(CEI)，從而擴大了Li₃InCl_4.8F_1.2 DHSE的電化學窗口，并防止在正極發(fā)生有害的界面反應。這項工作為具有高氧化穩(wěn)定性的快速鋰離子導體提供了一種新的設計策略，并在高壓ASSLIBs中顯示出巨大的潛力。

Advanced High-Voltage All-Solid-State Li-Ion Batteries Enabled by a Dual-Halogen Solid Electrolyte. Advanced Energy Materials 2021. DOI: 10.1002/aenm.202100836

AEM：通過局部高濃碳酸酯電解液實現(xiàn)鋰硫電池的固相反應

鋰硫（Li-S）電池因其高理論能量密度、低成本而備受關注。然而，由于醚基電解液中的穿梭效應導致其循環(huán)性能差，這對其實際應用仍然是一個巨大的挑戰(zhàn)。

加拿大西安大略大學孫學良院士、哈爾濱工業(yè)大學左朋建教授等人將廣泛使用的碳酸酯溶劑碳酸二乙酯/氟代碳酸亞乙酯和惰性稀釋劑 1,1,2,2-四氟乙基 2,2,3,3-四氟丙基醚相結合，制備了一種新型電解液，用于基于介孔碳/硫(KB/S)材料的Li-S電池。

與傳統(tǒng)的溶解-沉淀機制不同，硫正極在該電解液中表現(xiàn)出固相反應路線，這是通過多硫化鋰（LiPSs）與碳酸酯溶劑之間的親核反應在正極上原位形成致密的正極-電解質界面（CEI）膜來實現(xiàn)的。形成的CEI膜可以有效阻斷碳酸酯溶劑的滲透，并能完全抑制LiPSs的產生，從而消除穿梭效應。因此，KB/S電極在2 C下表現(xiàn)出穩(wěn)定的循環(huán)性能，循環(huán)600次后保持570 mAh g^-1的放電容量，對應于每個循環(huán)的平均容量衰減0.057%。更重要的是，該策略為未來基于固相鋰硫電池的發(fā)展提供了一條新途徑。

Realizing Solid-Phase Reaction in Li–S Batteries via Localized High-Concentration Carbonate Electrolyte. Advanced Energy Materials 2021. DOI: 10.1002/aenm.202101004

AFM：鈧摻雜富鈉NASICON固態(tài)電解質高離子電導率的成因

采用固態(tài)電解質（SSE）代替液態(tài)電解液已成為可充電池的一個非常緊迫且具有挑戰(zhàn)性的研究領域。NASICON (Na₃Zr₂Si₂PO₁₂) 是鈉離子電池最有潛力的SSE之一，因為它具有高離子電導率和低熱膨脹系數(shù)。已經證明通過Sc摻雜可以將NASICON的離子電導率提高到10^-3 S cm^-1，但其機制尚未完全清楚。

加拿大西安大略大學孫學良院士、Tsun-Kong Sham教授、蘇州大學孫旭輝教授、廈門大學楊勇教授等人制備了一系列Na_3+xSc_xZr_2-xSi₂PO₁₂ (0 ≤ x ≤ 0.5) SSE，并探索了其離子傳輸機制。

為深入了解離子傳輸機制，采用同步輻射X射線吸收光譜（XAS）對其電子結構進行了表征，并用固態(tài)核磁共振（SS-NMR）對其動力學進行了分析。在這項研究中，Sc成功地摻雜到 Na₃Zr₂Si₂PO₁₂中以替代 Zr 原子。鈉離子在特定位置的再分配被證明是鈉離子運動的關鍵。對于x≤ 0.3時，鈉離子運動的促進是由于鈉離子濃度在Na2位增加，而在Na1和Na3位減少。當x>0.3時，鈉離子運動受到抑制的原因是由單斜相向菱形相轉變，雜質含量增加。

Origin of High Ionic Conductivity of Sc-Doped Sodium-Rich NASICON Solid-State Electrolytes. Advanced Functional Materials 2021. DOI: 10.1002/adfm.202102129

EES：梯度無機-有機涂層調節(jié)鋰沉積/剝離實現(xiàn)穩(wěn)定的鋰金屬負極

鋰金屬負極（LMA）的一個固有挑戰(zhàn)是形成的不穩(wěn)定固體電解質界面（SEI），這會導致不可控的鋰沉積/剝離，并降低循環(huán)穩(wěn)定性。制備堅固的人工SEI 來穩(wěn)定鋰是理想的，但高精度地控制保護膜的組成仍然非常具有挑戰(zhàn)性。

加拿大西安大略大學孫學良院士、Tsun-Kong Sham教授、通用汽車研發(fā)中心Mei Cai博士等人報道了通過分子層沉積(MLD)實現(xiàn)的機械增強的混合無機-有機聚脲的功能性“梯度涂層”，用于高度穩(wěn)定的LMA。

涂層表面的電絕緣聚合物由于其良好的柔性可以限制鋰的電沉積并承受體積變化，而內部的無機親鋰位點可以有效地促進和調節(jié)鋰的均勻成核和沉積。由于這種精心設計的界面設計，受保護的鋰可以在6 mA cm^-2的高電流密度下顯著延長循環(huán)壽命。此外，作為在鋰金屬電池(LMB)中應用的概念證明，Li-O₂電池實現(xiàn)了超過1500小時的穩(wěn)定循環(huán)。這項工作展示了一種用于LMA的創(chuàng)新納米級保護膜設計，并為實現(xiàn)高性能的下一代電池創(chuàng)造了新的機會。

Regulated lithium plating and stripping by a nano-scale gradient inorganic–organic coating for stable lithium metal anodes. Energy & Environmental Science 2021. DOI: 10.1039/d1ee01140e

AFM：原子層共價有機骨架用于高性能鋰存儲

共價有機骨架（COFs）作為鋰離子電池中的電極材料，由于其優(yōu)異的結晶性、易于化學改性和可調節(jié)的多孔分布而備受關注。然而，它們的實際應用仍然受到 Li⁺活性位點不足和塊體材料中長離子擴散的阻礙。

加拿大西安大略大學孫學良院士、云南大學郭洪教授等人結合大分子的高穩(wěn)定骨架結構、原子層厚度特征和多活性位點的優(yōu)點，設計了一種新型的原子層COF正極（表示為E-TP-COF），其具有-C=O和C=N基團雙活性中心。

原子層厚的結構改善了Li⁺的捕獲和擴散。C=N和C=O基團的兩個活性位點都能產生更多的容量。大分子結構避免了在電解液中的溶解性挑戰(zhàn)。因此，采用E-TP-COF組裝的鋰離子電池具有110 mAh g^-1的高初始容量，循環(huán)500次后容量保持率為87.3%。此外，還通過原位技術和密度泛函理論計算詳細證實了Li⁺擴散機制。這一新策略將為COFs在電化學儲能和轉化中的應用開辟新的途徑。

Dual-Active-Center of Polyimide and Triazine Modified Atomic-Layer Covalent Organic Frameworks for High-Performance Li Storage. Advanced Functional Materials 2021. DOI: 10.1002/adfm.202101019

AEM：解讀硫化物基全固態(tài)電池的界面化學和電化學反應

界面反應導致的大界面電阻被廣泛認為是基于硫化物電解質（SEs）的全固態(tài)鋰電池（ASSLBs）的主要挑戰(zhàn)之一。然而，SEs和典型的層狀氧化物正極之間的大界面電阻的根本原因尚不完全清楚。

加拿大西安大略大學孫學良院士、多倫多大學Chandra Veer Singh、美國布魯克海文國家實驗室Dong Su等人研究表明，單晶LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2（SC-NMC532）的界面氧損失會化學氧化Li10GeP2S12，生成含氧的界面物種。同時，界面氧損失也引起氧化物正極（層狀到巖鹽）的結構變化。此外，高工作電壓可以電化學氧化硫化物電解質（SEs）以形成非氧物種（例如多硫化物）。這些化學和電化學氧化的物種，加上界面結構的變化，是造成正極界面電阻較大的原因。更重要的是，廣泛采用的界面涂層策略可有效抑制化學氧化的含氧物質并減輕界面結構的同時變化，但不能防止電化學誘導的非氧物質。這些發(fā)現(xiàn)對典型的SE與層狀氧化物正極之間的大界面電阻提供了更深入的認識，這可能有助于將來SE基全固態(tài)鋰電池的合理界面設計。

Deciphering Interfacial Chemical and Electrochemical Reactions of Sulfide-Based All-Solid-State Batteries. Advanced Energy Materials 2021. DOI: 10.1002/aenm.202100210

EES：采用硫化物電解質的全固態(tài)鋰電池：從基礎研究到實際工程設計

全固態(tài)鋰電池（ASSLBs）以其固有的安全性和比傳統(tǒng)鋰離子電池（LIBs）更高的能量密度而備受關注。然而，SEs的空氣穩(wěn)定性差、有害的界面反應、固-固離子接觸不足以及基礎研究與實際工程之間的巨大差距，阻礙了SEs基ASSLBs的商業(yè)化。

加拿大西安大略大學孫學良院士等人旨在結合基礎和工程的觀點，合理設計實用的基于SE的高能量密度ASSLBs，包括SE、界面和實用的全固態(tài)軟包電池。

首先，綜述了典型的贗二元、贗三元和贗四元SEs的最新研究進展，重點介紹了提高離子電導率、化學穩(wěn)定性和電化學穩(wěn)定性的有效策略。還分別討論了正極和負極界面的挑戰(zhàn)和策略。此外，還研究了先進的原位表征技術，以更好地理解ASSLBs的界面。舉例說明了SE基全固態(tài)鋰離子電池和全固態(tài)鋰硫電池的令人鼓舞的示范。最重要的是，以能量密度為導向的全固態(tài)軟包電池是使用實際工程參數(shù)設計的。該設計可作為預測未來SE基全固態(tài)軟包電池實際能量密度的定量框架。最后，提出了基于SE的ASSLBs的未來發(fā)展方向和展望。

All-solid-state lithium batteries enabled by sulfide electrolytes: from fundamental research to practical engineering design. Energy & Environmental Science 2021. DOI: 10.1039/d1ee00551k

AFM：分子層沉積人工鋅酮涂層以穩(wěn)定硅負極

硅負極與電解質之間的穩(wěn)定界面是實現(xiàn)鋰離子電池可逆電化學循環(huán)的關鍵。

加拿大西安大略大學孫學良、哈爾濱工業(yè)大學尹鴿平等人利用分子層沉積在硅電極上可控地沉積鋅酮聚合物涂層以用作人工固體電解質界面（SEI）。

電化學循環(huán)的增強取決于鋅酮涂層的厚度。最佳的≈3 nm鋅酮涂層顯著提高了硅負極的儲鋰性能，從而產生了高可逆容量（200 mA g^?1下100次循環(huán)后為1741 mA h g^?1）、優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性（500次循環(huán)后為1011 mAh g^?1）和出色的倍率性能（2 A g^?1下為1580 mAh g^?1）。這種顯著的電化學可逆性源于鋅酮涂層和鋅酮驅動的富含氟化鋰（LiF）的SEI的原位轉化，這賦予硅電極優(yōu)越的電子/離子傳輸和結構穩(wěn)定性。同時，鋅酮涂層與醚類電解質具有良好的相容性（200次循環(huán)后為893 mAh g^?1，5 A g^?1時為970 mAh g^?1）。此外，人工鋅酮涂層的原位轉化也為在其他電極表面（如鋰/鈉金屬）構建功能界面打開了一扇門。

Stable Silicon Anodes by Molecular Layer Deposited Artificial Zincone Coatings. Adv. Funct. Mater. 2021. DOI: 10.1002/adfm.202010526

Nano Energy：塑料晶體包裹的PEO基聚合物電解質助力室溫高壓鋰金屬電池

為滿足高能量密度電池的需求，鋰金屬與高壓正極的耦合已經得到了廣泛的研究。然而，只有少數(shù)電解液能同時與鋰負極和高壓Li_0.5Mn_0.3Co_0.2O₂相容。純聚（環(huán)氧乙烷）電解質對鋰金屬表現(xiàn)出高穩(wěn)定性，但氧化穩(wěn)定性有限（通常?<?3.8?V）。含-C≡N的腈基電解質對高壓電極具有良好的電化學穩(wěn)定性。

加拿大西安大略大學孫學良院士、東北師范大學謝海明教授、劉玉龍副教授等人提出了一種新的概念，即塑料晶體包裹的聚合物（PIPCE）電解質，具體是將PEO與丁二腈基塑料晶體（LiTFSI-SN0.05-xwt.%FEC，x=0,10,20%）混合，以制備PEO基電解質。

研究顯示，(LiTFSI-SN0.05-10%wt.FEC)-15%wt.PEO的PIPCE電解質對Li/Li+的電化學氧化電位高達4.97 V，幾乎比純PEO高1.5 V。室溫（30℃）下，Li-Li對稱電池在1 mA cm-2和1 mAh cm-2時實現(xiàn)了700 h的穩(wěn)定鋰金屬沉積/剝離。以NMC532為正極的全電池可以在4.4 V的高截止電壓下穩(wěn)定循環(huán)120次。這種優(yōu)異的性能可以追溯到聚合物與鹽的分子間相互作用，從而形成穩(wěn)定的正負極/電解質界面。

PEO based Polymer in Plastic Crystal Electrolytes for Room Temperature High-Voltage Lithium Metal Batteries. Nano Energy 2021. DOI: 10.1016/j.nanoen.2021.106205

原創(chuàng)文章，作者：科研小搬磚，如若轉載，請注明來源華算科技，注明出處：http://m.xiubac.cn/index.php/2023/11/01/502fcb796a/

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