Arumugam Manthiram，美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校Cockrell Family Regents Chair教授，材料研究所所長、材料科學(xué)與工程研究生項目主任。Manthiram教授分別于1974年和1976年在印度Madurai University取得學(xué)士和碩士學(xué)位，1980年于印度理工學(xué)院獲得博士學(xué)位，1985年在牛津大學(xué)任研究助理，于1986年加入德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校。1989年與John B. Goodenough教授一同發(fā)明了電池用聚陰離子氧化物正極。Manthiram教授于2017-2020連續(xù)四年入選web of science材料和化學(xué)兩個領(lǐng)域的“全球高被引學(xué)者”，同時還是美國材料研究學(xué)會，國際電化學(xué)學(xué)會，美國陶瓷學(xué)會，英國皇家化學(xué)學(xué)會，美國科學(xué)促進(jìn)會和世界材料和制造工程學(xué)會等六大專業(yè)學(xué)會會士，世界陶瓷科學(xué)院院士。Manthiram教授曾于2019年代表John B. Goodenough教授在瑞典發(fā)表題為“鋰電正極設(shè)計”的諾貝爾化學(xué)獎主題演講，也被坊間視為Goodenough教授的“接班人”。Manthiram教授的研究領(lǐng)域主要為清潔能源技術(shù)：可充電電池（鋰離子、鈉離子、多價離子、鋰硫電池和全固態(tài)電池等）、燃料電池（質(zhì)子交換膜、甲醇和固體氧化物燃料電池）、固態(tài)化學(xué)等，課題組官網(wǎng)（http://sites.utexas.edu/manthiram）顯示Manthiram教授先后在國際著名學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表論文800余篇，論文被引用63000多次，H指數(shù)126 （最新Google Scholar數(shù)據(jù)顯示被引78000余次，H指數(shù)139）。Manthiram教授是Chemistry of Materials; ACS Energy Letters; Energy Storage Materials; SmartMat等著名期刊的編委會成員，同時是國產(chǎn)期刊Energy & Environmental Materials的副主編。在此，小編匯總了Arumugam Manthiram教授2021年上半年最新的代表性工作，以饗讀者。
Adv. Energy Mater.: 描述鋰硫電池中鋰-電解質(zhì)界面化學(xué)和鋰沉積的動力學(xué)
穩(wěn)定金屬鋰負(fù)極是實現(xiàn)高能量密度長循環(huán)壽命鋰硫電池的主要障礙，鋰表面動態(tài)演化的固態(tài)電解質(zhì)界面層的化學(xué)性質(zhì)是實現(xiàn)鋰可逆電鍍和剝離的關(guān)鍵。在此，Arumugam Manthiram教授等人首次采用無負(fù)極全電池配置來有效研究Li-S電池中鋰-電解質(zhì)界面的化學(xué)性質(zhì)及其對鋰沉積的影響。不含過量鋰的無負(fù)極全電池配置可作為表征鋰-電解質(zhì)界面的極好模板，因為沉積的鋰完全在原位形成，并且還可以準(zhǔn)確評估鋰循環(huán)效率。作者使用不同的電解質(zhì)配方來研究組成-性質(zhì)關(guān)系，這些關(guān)系是各種界面成分在確定鋰沉積動力學(xué)方面的關(guān)鍵作用的基礎(chǔ)，此外詳細(xì)描述了TFSI–陰離子中不同官能團(tuán)、LiNO3的氧化性和無處不在的多硫化物中間體之間復(fù)雜的協(xié)同作用。這項研究為 Li-S系統(tǒng)中界面組分的獨特化學(xué)及其與整體電化學(xué)性能的相關(guān)性提供了新的思路。當(dāng)與硫正極配對時，所產(chǎn)生的新見解可能有助于開發(fā)穩(wěn)定金屬負(fù)極（Li、Na、K、Mg等）的方法。Delineating the Lithium-Electrolyte Interfacial Chemistry and the Dynamics of Lithium Deposition in Lithium-Sulfur Batteries, Advanced Energy Materials. 2021. DOI: 10.1002/aenm.202003293https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202003293
EnSM: 鋰離子電池用單晶層狀氧化物正極的展望
新興的電動汽車和電網(wǎng)存儲市場對鋰離子電池的需求呈指數(shù)增長，對更高能量密度和更長循環(huán)壽命的需求尤為迫切。增加層狀氧化物正極中的Ni含量一直是增加能量密度的主要策略，但這加劇了表面反應(yīng)性問題。此外，與容量增加相關(guān)的高電荷狀態(tài)會導(dǎo)致多晶正極顆粒破裂，從而暴露新的表面并加速容量衰減。具有低開裂敏感性的單晶正極顆粒由于其顯著的可循環(huán)性引起了廣泛的研究興趣，文獻(xiàn)研究探索了許多不同的單晶合成方法，但迄今為止還沒有對不同技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)分析。Arumugam Manthiram教授等人通過經(jīng)典晶粒生長理論的視角回顧了有關(guān)單晶正極合成的文獻(xiàn)，提供了見解，并有望加速采用有前途的單晶正極形態(tài)。這篇綜述首先介紹了正極形態(tài)的發(fā)展歷史，然后介紹了LiNi1-x-yMnxCoyO2 (NMC)正極材料的失效機制，其中著重描述了顆粒破裂和電解液滲透，最后總結(jié)了單晶正極的合成方法、理論計算和表征測試方法等。作者鼓勵研究人員擴(kuò)展這篇文章中回顧的工作，以便能夠更快、更經(jīng)濟(jì)地利用具有優(yōu)異循環(huán)性能和能量密度的單晶正極。A perspective on single-crystal layered oxide cathodes for lithium-ion batteries, Energy Storage Materials. 2021. DOI: 10.1016/j.ensm.2021.02.003https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.02.003
ACS Energy Lett.: 揭開鋰離子電池高鎳正極中殘留鋰的復(fù)雜性
高鎳層狀氧化物正極受到表面殘留鋰形成的嚴(yán)重影響，這會導(dǎo)致重大問題，例如漿液凝膠化和氣體逸出。這些凝膠導(dǎo)致在漿料澆鑄過程中形成不均勻的表面，這是工業(yè)化批量生產(chǎn)高鎳正極的主要挑戰(zhàn)之一。這意味著除非徹底控制殘留的鋰，否則很難在實際電池中應(yīng)用性能優(yōu)異的高鎳層狀氧化物。Arumugam Manthiram教授等人首次對殘留鋰進(jìn)行了徹底研究，采用一種新的滴定方法，結(jié)合氫氧化鈷干涂前后的結(jié)構(gòu)分析，對影響LiNi0.91Mn0.03Co0.06O2（NMC91）中Li2CO3和LiOH生成和去除的因素進(jìn)行了綜合分析并揭示了以下內(nèi)容：(1) 鋰原料中的 Li2CO3雜質(zhì)導(dǎo)致合成后高鎳正極中殘留鋰的增加。(2) 在水中制備分析物期間，從高鎳正極浸出鋰而形成的 LiOH 夸大了殘留鋰中的 LiOH 含量（采用新的滴定方法）。(3) 高鎳正極上的干燥氫氧化鈷涂層不僅有效降低了殘留鋰含量，而且導(dǎo)致在表面形成富鈷濃度梯度層，在與水接觸時抑制鋰浸出。最后，作者對表面穩(wěn)定的鈷涂層NMC91的循環(huán)性能進(jìn)行了評估，結(jié)果表明其循環(huán)性能非常穩(wěn)定。上述研究結(jié)果可以幫助學(xué)術(shù)界和工業(yè)界準(zhǔn)確測量殘留鋰含量并減輕其不良后果。Unraveling the Intricacies of Residual Lithium in High-Ni Cathodes for Lithium-Ion Batteries, ACS Energy Letters. 2021. DOI: 10.1021/acsenergylett.1c00086https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsenergylett.1c00086
Small Methods: 鋰基電池用高壓尖晶石正極的進(jìn)展與展望
插入化合物在商用鋰離子電池的正極材料中占據(jù)主導(dǎo)地位。與層狀氧化物和聚陰離子化合物相比，尖晶石結(jié)構(gòu)正極的發(fā)展較為落后。由于具有高工作電壓（≈4.7 V）、高容量（≈135 mAh g-1）、低環(huán)境影響和低制造成本等一系列優(yōu)點，高壓尖晶石LiNi0.5Mn1.5O4（LNMO）代表了用于推進(jìn)高能量密度鋰離子電池的高功率正極。然而，該正極的廣泛應(yīng)用和商業(yè)化因其循環(huán)性能差而受到阻礙。Arumugam Manthiram教授等人綜述了高壓尖晶石型LNMO正極材料的基礎(chǔ)和技術(shù)進(jìn)展。在總結(jié)前人研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，重點總結(jié)和分析了先進(jìn)材料制備和表征技術(shù)對高壓尖晶石型LNMO正極發(fā)展的影響。深入討論了近年來先進(jìn)電池發(fā)展方法（如固體電解質(zhì)方法、界面工程方法和交替負(fù)極方法等）在高壓鋰離子電池發(fā)展中的整合。在這篇文章中，作者探討了高壓尖晶石正極的結(jié)構(gòu)-性能相關(guān)性和失效機制。然后總結(jié)了減輕高壓尖晶石正極循環(huán)穩(wěn)定性問題的最新進(jìn)展，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計、摻雜、表面涂層和電解質(zhì)改性的各種方法。最后，提出了未來的展望和研究方向，旨在為實用高壓尖晶石正極的發(fā)展提供指導(dǎo)和借鑒。Advances and Prospects of High-Voltage Spinel Cathodes for Lithium-Based Batteries, Small Methods. 2021. DOI: 10.1002/smtd.202001196https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smtd.202001196
Adv. Funct. Mater.: 高鎳正極鋰金屬電池中的交叉效應(yīng)
眾所周知，正極到負(fù)極的交叉，尤其是過渡金屬離子的交叉，會顯著影響鋰離子電池的長期循環(huán)。鋰離子電池中溶解的過渡金屬離子沉積在石墨負(fù)極上，破壞固體電解質(zhì)中間相 (SEI)，并催化進(jìn)一步的副反應(yīng)。同時對于Li-S電池，正極對負(fù)極的影響得到了大規(guī)模研究，多硫化物可以穿梭并與負(fù)極反應(yīng)以穩(wěn)定SEI。據(jù)報道，類似的交叉對鋰金屬電池的影響有限。但是，到目前為止還不清楚負(fù)極-正極交叉是否會對層狀鎳錳鈷氧化物（NMC）系統(tǒng)產(chǎn)生有顯著影響，尤其是對高鎳體系。Arumugam Manthiram教授等人首次研究了具有高鎳層狀氧化物正極的鋰金屬電池的交叉效應(yīng)。結(jié)果表明，在碳酸鹽電解質(zhì)實現(xiàn)的有限循環(huán)范圍內(nèi)，高鎳層狀氧化物正極中過渡金屬離子的溶解嚴(yán)重，這對于反應(yīng)性高、壽命短的LMA而言并不重要。實際上，即使在其他半電池中也容易掩蓋其寄生腐蝕。相反，來自LMA的分解產(chǎn)物（如POF2OH和聚碳酸酯）可以穿過正極，并改變正極上的CEI。負(fù)極到正極的交叉也會影響負(fù)極本身，可溶性物質(zhì)會流失到電解質(zhì)中。這種行為對鋰金屬電池的循環(huán)性能有重要影響，應(yīng)在研究中加以考慮。預(yù)計更先進(jìn)的鋰金屬電池將看到這些交叉效應(yīng)轉(zhuǎn)變的相對重要性，作者指出，3D 負(fù)極、人工 SEI、濃電解質(zhì)和其他修飾可以降低 LMA 的反應(yīng)性，同時增加沉積過渡金屬的濃度并減少分解物質(zhì)的產(chǎn)生。Crossover Effects in Batteries with High-Nickel Cathodes and Lithium-Metal Anodes, Advanced Functional Materials. 2021. DOI: 10.1002/adfm.202010267https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202010267
