作者： Better Battery 审核：Glenn
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教授简介
王春生教授目前为美国马里兰大学 R.F & F. R. Wright杰出讲座教授，马里兰大学-美国陆军实验室极端电池联合研究中心（CREB）的创始人，同时任马里兰大学一方的中心主任。AquaLith Advanced Materials公司的联合创始人。在Science, Nature, Nature Energy, Nature Materials, Nature Nanotechnology, Nature Chemistry, Joule等顶级期刊发表SCI论文300余篇，文章他引50000余次，H-index为124。自2018年以来为科睿唯安（Clarivate）全球高被引学者。2015年和2021年两次获得马里兰大学年度最佳发明奖。2021年获得ECS Battery Division Research Award。
课题组主页：http://www.cswang.umd.edu/
下面总结了王春生教授近一年的部分研究成果，供大家查阅（备注：本文仅列举了部分以王春生教授为通讯作者的论文）。
1
Nature: 全固态锂电池界面设计
由于负极锂枝晶的无限生长和正极的高界面阻抗，高比能全固态锂金属电池在低堆叠压力下的循环具有挑战性。该工作在Li/Li6PS5Cl界面上设计了Mg16Bi84中间层以抑制Li枝晶的生长，同时在LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2（NMC811）正极上设计了富F层以降低界面阻抗。结果显示，在锂沉积/剥离周期，Mg从Mg16Bi84转移到锂负极上，转换为多功能LiMgSx-Li3Bi-LiMg结构层作为固体电解质中间相，多孔Li3Bi子层和固态粘合剂（使多孔Li3Bi与锂负极紧密接触）。其中，Li3Bi亚层具有较高的离子/电子电导率，使Li只能沉积在Li负极表面，并生长成多孔的Li3Bi亚层，从而改善了压力（应力）的变化。重要的一点是，具有富F层间的NMC811转化为掺杂F的NMC811正极，这是由于F阴离子在4.3 V的高电位下电化学迁移到NMC811中，稳定了正极。此外，LiNiO2/Li6PS5Cl/Li电池在2.5 MPa的低堆叠压力下，实现了11.1 mAh cm-2的容量，电池级能量密度为310 Wh kg-1。Mg16Bi84负极层和富F正极层为全固态锂金属电池提供了通用方案，以实现高能量和快速充电能力。
Interface design for all-solid-state lithium batteries.
DOI: 10.1038/s41586-023-06653-w
2
Nature: 多“buff加持”—快充/高压/低温/不易燃电解液设计
如今，广泛使用的LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2（NMC811）||石墨锂离子电池的理想电解液被希望同时具有耐高压（≥4.5 V）、快速充电（≤15分钟）、在宽温度范围（±60℃）充/放电不析锂，以及不易燃的特性。然而，迄今为止还没有电解液能够同时满足所有这些要求，并且由于缺乏解决电池性能、溶剂化结构和固体电解质界面（SEI）化学之间关系的有效指导原则，电解液设计的进一步发展受到严重的阻碍。
该工作报道并验证了一种基于一组软溶剂的电解液设计策略，该策略在弱Li+-溶剂相互作用、足够的锂盐解离和期望的电化学性能之间取得平衡，以满足上述所有要求。实验结果表明，4.5 V NMC811||石墨（Gr）（≥2.5 mAh cm-2）的纽扣电池在-50℃（-60℃）下以0.1C的倍率充放电时，能够保持其室温容量的75%（54%）。同时，具有痕量电解液（2.5 g/Ah）的NMC811||Gr软包电池能够在-30℃下实现稳定的循环，其平均库仑效率超过99.9%。综合分析进一步揭示了NMC811正极与石墨负极之间由于形成相似的富氟化锂界面，从而有效地避免了低温下的析锂现象，这种电解液设计原理也可以扩展到在极端条件下循环的其他碱金属离子电池。
Electrolyte design for Li-ion batteries under extreme operating conditions.
DOI: 10.1038/s41586-022-05627-8
3
Nat. Energy: 固态锂金属电池界面设计
全固态锂金属电池（ASSLBs）因其高能量密度和高安全性而备受关注。然而，由于对其机理了解不足，锂枝晶的生长和高界面电阻仍然是一项挑战。在此，该工作通过调整Li7N2I-碳纳米管（LNI-CNT）中间膜和LNI-Mg中间膜的性质，将锂沉积稳定性与中间膜的离子和电子电导率以及疏锂性相关联。LNI具有3.1×10-4 S/cm的高离子电导率，电导率低、高疏锂性和高电化学稳定性，而CNT具有高疏锂性、高电导率和低振实密度。因此，将LNI以不同比例与碳纳米管混合，可以形成具有离子和电导率变化的多孔疏锂夹层。LNI-Mg层间在激活过程中，由于Mg从层间迁移到锂负极，可以在层间内形成梯度电导率，从而降低层间厚度，增强锂枝晶的抑制能力。
Lithium anode interlayer design for all-solid-state lithium-metal batteries.
DOI: 10.1038/s41560-023-01426-1
4
Nat. Energy: 固态锂电池评估新指标
该工作提出引入临界相间过电位(CIOP)来评估界面抑制锂枝晶在Li/SSE处进入界面的能力并设计了一个混合导电的Li2NH-Mg中间层提升固态电解质对锂枝晶的抑制能力。当AIOP等于或大于CIOP时，锂枝晶开始渗透SEI，随着AIOP的进一步增加，电流密度将增加，Li枝晶进一步生长通过相间并渗透到SSE中。因此，CIOP提供了Li枝晶开始渗透到界面所需的过电位，这取决于界面的本征性质。为实现高锂枝晶抑制能力，施加的AIOP应较低，SEI（或相间）的CIOP应较高。作者使用CIOP评估了包含Li2NH-Mg中间层的Li/SSE界面处SEI的锂枝晶抑制能力。Li2NH-Mg夹层使Li6PS5Cl电解质在25°C下实现222.9 mV的高CIOP和5.5 mAcm−2/ 5.5 mAh cm−2的CCD以及在60°C高达7.0 mA cm−2 /7.0 mAhcm−2的稳定循环。采用NMC622正极的全固态锂电池在25°C和2.5 MPa的低堆压下以0.76 mA cm−2的电流密度循环100次后可保持1.9 mAh cm−2的高可逆容量。本文提出的CIOP可为高能和室温全固态锂金属电池提供设计指导。
Critical interphase overpotential as a lithium dendrite-suppression criterion for all-solid-state lithium battery design.
DOI:10.1038/s41560-023-01231-w
5
Nat. Sustain.: 高熵电解液设计策略
“盐包水”电解液的应用拓宽了水系电解液的电化学稳定性窗口，然而实际上“盐包水”电解液用于水系锌电池的优点不足以克服其商业化的障碍，包括Zn沉积/剥离的可逆性不足，效率不足和低温性能不佳。
该工作展示了一种引入LiCl作为支撑盐的ZnCl2高熵电解液（HEE）。结果表明，一旦电解液优化到Li2ZnCl4·9H2O，组装后的锌空气电池可以在-60℃和+80℃温度范围内，以0.4 mA cm-2的电流稳定循环超过800小时，且能够实现100%的超稳定锌沉积/剥离。即使在-60℃下，也可以保持高于80%的室温功率密度。同时，先进的表征和理论计算揭示了其高熵的溶剂化结构，这也是导致其具有优异性能的根本原因。强酸性使ZnCl2与贡献的Cl-形成ZnCl42-阴离子，而水分子在低盐浓度下保留在游离溶剂网络中或与锂离子配位。因此，本文的工作提出了一种合理的电解液设计策略，为下一代锌电池打下了坚实的基础。
All-temperature zinc batteries with high-entropy aqueous electrolyte.
DOI: 10.1038/s41893-022-01028-x
6
Nat. Rev. Chem.: 锂金属电池电解液及界面设计
下一代电动设备和汽车需要高能量和稳定的锂离子电池。要实现其发展，在高容量阳极和高电压阴极上形成稳定的界面至关重要。然而，某些商业化锂离子电池中的这种界面并不稳定。由于运行过程中的内应力，界面层和电极上会形成裂缝；这些裂缝的存在会形成锂枝晶和新的界面层，导致能量容量衰减。
该综述重点介绍了在不同电池系统中形成富含锂富集相的电解质设计策略。在水性电解质中，疏水性 LiF 可以扩展水性电解质的电化学稳定性窗口。在有机液体电解质中，高度疏锂的 LiF 可以抑制锂枝晶的形成和生长。旨在形成富含 LiF 相的电解质设计大大推进了高能水性和非水性锂离子电池的发展。本文讨论的电解质和界面设计原理也适用于固态电池，可作为在低堆栈压力下实现长循环寿命的策略，也可用于构建其他金属电池。
Designing electrolytes and interphases for high-energy lithium batteries.
DOI: 10.1038/s41570-023-00557-z
7
AM: 低温电池电解液设计
以往电解液的设计主要集中在调节锂离子（Li+）的溶剂化结构，因为这不仅会影响锂离子在电解液中的传输，还会改变固体-电解液中间相（SEI）的组成。在过去的研究中，大家广泛研究了Li+的溶剂化结构。最近，阴离子参与的溶剂化结构也成为研究关注的焦点，因为这种结构同样会改变SEI的形成和Li+的脱溶剂化动力学。然而，即使在最简单的单盐、单溶剂电解液体系中，阴离子与溶剂的相互作用仍未被完全理解。
为了克服低温电解液的限制，该工作进行了大量的研究。该工作揭示了阴离子与溶剂之间的相互作用及其对低温性能的影响，实现了锂金属负极在零下60摄氏度的可逆充放电。
Revealing the Anion-Solvent Interaction for Ultralow Temperature Lithium Metal Batteries.
DOI: 10.1002/adma.202306462
8
AEM: 高性能固态电解质界面设计
该工作通过在Li6PS5Cl电解质和锂负极之间插入混合离子电子导电(MIEC)和疏锂的LiF-C-Li3N-Bi纳米复合材料中间层同时解决了这两个挑战，并且在0.2 mA cm-2/0.2 mAh cm-2下，将锂电镀/剥离CE显着提高到99.6%，临界电流密度(CCD)为>3.0 mA cm−2/3.0 mAh cm−2。具有高离子电导率(10−5 S cm−1)和低电子电导率(3.4×10−7 S cm−1)的疏锂LiF-C-Li3N-Bi中间层使Li能够在集流体(CC)表面而不是在Li6PS5Cl表面上电镀，从而避免了Li6PS5Cl电解质的还原。在CC表面初始镀锂过程中，Li渗透到多孔的LiF-C-Li3N-Bi层中，并将Bi纳米颗粒锂化为Li3Bi。LiF-C-Li3N-Li3Bi中间层中的亲锂Li3Bi和Li3N纳米颗粒将随着电镀的锂一起向CC移动，在接下来的Li剥离过程中形成LiF-C-Li3N-Li3Bi疏锂/亲锂中间层。该中间层使面积容量为1.4 mAh cm-2的Co0.1Fe0.9S2/Li6PS5Cl/Li电池在150 mA g-1下的循环寿命达到850次。疏锂/亲锂中间层使固态金属电池能够同时实现高能量和长循环寿命。
Interface Design for High-Performance All-Solid-State Lithium Batteries.
DOI: 10.1002/aenm.202303046
9
AFM: 共晶熔盐电解质实现高温锂金属电池
锂负极上形成疏锂无机固体电解质界面(SEI)，正极上形成正极电解质界面(CEI)，有利于实现高压锂金属电池。然而，在大多数液体电解质中，有机溶剂的分解不可避免地在SEI和CEI中形成有机成分。此外，有机溶剂由于其高挥发性和易燃性，往往构成重大的安全风险。
近日，马里兰大学王春生教授报道了一种基于低熔点碱性全氟磺酰亚胺盐的无有机溶剂共晶电解质。锂负极表面的负离子还原形成了一种无机的富LiF的SEI，具有很强的抑制锂枝晶的能力，在0.5 mA cm-2和1.0 mAh cm-2下的电镀/剥离CE高达99.4%，在80°C下，LiNi0.8Co0.15Al0.05O2(2.0 mAh cm-2)||Li(20 µm)全电池能够稳定循环200次。该工作所提出的共晶电解质有望用于超安全和高比能锂金属电池。
Solvent-Free Electrolyte for High-Temperature Rechargeable Lithium Metal Batteries.
DOI: 10.1002/adfm.202301177
