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论文信息
摘要
近日，宁波东方理工大学（暂名）孙学良院士联合加拿大西安大略大学Tsun-Kong Sham院士、马里兰大学莫一非教授及橡树岭国家实验室的刘珏博士，开发了一种空位富集β-Li3N固态电解质，在解决全固态锂金属电池领域的关键挑战上取得了重要进展。这一研究成果不仅为全固态锂金属电池的大规模应用奠定了基础，而且为未来的电动汽车和储能系统提供了新的解决方案。该成果以“Superionic conducting vacancy-rich β-Li3N electrolyte for stable cycling of all-solid-state lithium metal batteries”为题发表在《Nature Nanotechnology》期刊上。共同第一作者：李维汉、李旻鸶、汪硕、Po-Hsiu Chien
研究背景
全固态锂金属电池被视为下一代储能设备的潜力之星，相较于传统锂离子电池，具有更高的能量密度和更优异的安全性能。然而，全固态锂金属电池应用的关键在于开发稳定且高效的固态电解质，既要抑制锂枝晶生长、防止短路，又必须实现高室温离子导电性以满足快速充电的要求。然而，现有的氧化物、硫化物和卤化物电解质在与锂金属接触时常面临界面不稳定性和锂枝晶生长等问题。氮化物电解质，尤其是氮化锂（Li3N），因其与锂金属的稳定性备受关注。然而，传统Li3N电解质在离子导电性和枝晶抑制能力方面仍存在不足。
论文亮点
为了克服这些挑战，研究团队采用了空位工程策略，通过高能球磨工艺，在β-Li3N的晶体结构中引入8.1%的锂空位和5.4%的氮空位。这些空位显著降低了锂离子迁移的能量壁垒，增加了可移动载流子浓度，提高了离子导电性，使材料在25℃下的离子导电率达到2.14 mS/cm，远超大多数氮化物基电解质。在锂对称电池测试中，这种空位富集的β-Li3N表现出高达45 mA/cm2的临界电流密度和7.5 mAh/cm2的大容量稳定循环，超过了已报道的大多数固态电解质。此外，全固态锂对称电池在超过2000次循环中仍能保持优异的锂剥离和沉积性能。
研究意义和未来展望
研究成果
图1（A）氮化物固态电解质晶体结构, (B, C) 空位诱导的快离子输运性质, (D) 全固态锂对称电池性能及（E）全固态锂金属电池性能。
作者简介
孙学良教授，中国工程院外籍院士、加拿大皇家科学院院士、加拿大工程院院士、加拿大西安大略大学终身教授、加拿大国家首席科学家、国际《Electrochemical Energy Reviews》创刊主编，现任宁波东方理工大学（暂名）讲席教授。主要从事固态电池、锂离子电池和燃料电池基础和应用研究，近年来在新型卤化物固态电解质及其全固态电芯开发方面做出了一系列原创性成果。在Nature Energy、Nature Nanotechnology、Nature Materials、Nature Chemical Engineering等威期刊发表论文680余篇，被引用超过73000次，H因子144。曾荣获国际最具权威电池技术奖等荣誉。
Tsun-Kong Sham（岑俊江）教授，加拿大西安大略大学化学院教授，加拿大皇家学科学院院士，加拿大勋章获得者。曾于2000年至2006年担任加拿大光源董事会成员，于2003年至2006年担任国际X射线吸收学会主席，并于2012年领衔组建苏州大学—西安大略大学同步辐射联合研究中心并担任中心主任。目前，现任加拿大安大略省同步辐射组织主席，并与加拿大同步辐射光研究组织合作，为加拿大开发新一代的同步加速器。已在Nature, Nat. Catal., Nat. Comm.、JACS、PRL等学术期刊上发表超过700篇论文，主编学术专著一部。曾获多项荣誉，如2004年加拿大联邦杰出华裔专业成就奖、2005年西安大略大学杰出研究成就奖、2006年加拿大光源首发论文奖。
李维汉，宁波东方理工大学（暂名）助理教授、副研究员、博士生导师。主要从事固态电池、锂离子电池和同步辐射表征的基础和应用研究，近年来在新型氮化物固态电解质，全固态电池开发以及原位同步辐射表征方面发表了一系列原创性成果。迄今为止在Nat. Nanotechnol., Nat. Mater., Sci. Adv., Nat. Commun., Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc.,等期刊上共发表100余篇 SCI论文，总引用超过10000次，H因子59。入选斯坦福大学团队发布的全球前2%顶尖科学家榜单 （2023, 2024），并荣获中国科学院院长优秀奖 （2016）等荣誉。
汪硕，宁波东方理工大学（暂名）助理教授、副研究员、博士生导师。2015年获吉林大学学士学位，2020年获北京大学博士学位，先后在美国马里兰大学帕克分校、麻省理工学院开展博士后研究。研究方向为运用第一性原理计算、分子动力学模拟、机器学习及人工智能辅助设计新能源材料，包括但不限于电极材料、电解质材料、催化材料、新型二维材料等，迄今为止在 Nat. Catal., Nat. Chem., Nat. Nanotechnol., Nat. Commun., Angew. Chem., J. Am. Chem. Soc., PNAS, Adv. Mater, Energy Environ. Sci.等杂志期刊发表SCI论文50余篇，他引次数>3200次，其中6篇文章入选 ESI 高被引论文。
李旻鸶， 2016年获得中国科学技术大学学士学位，2021年获得加拿大西安大略大学化学专业博士学位。2021年至2024年在加拿大西安大略大学加拿大西安大略大学机械与材料工程进行博士后研究，2017年在加拿大光源担任访问科学家进行同步辐射光源技术的合作研究。目前的主要研究方向是全固态锂电池关键材料及器件的开发及应用研究，以及同步辐射X射线表征方法与技术开发。截止目前在Nature Nanotechnology, Science Advances，Advanced Materials, Nano Letters等期刊上共发表SCI论文40余篇，H因子为31，总引用超过4600次。
簡伯修，博士毕业于佛罗里达州立大学，前美国高磁场国家实验室（National High Magnetic Field Laboratory), 橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory) 博士后研究员。現任美国Adden Energy 电池科学家，专注于固态电池开发。
【长期联合招聘】
因全固态电池研究院长期发展需要，宁波东方理工大学（暂名）孙学良院士，李维汉团队以及汪硕团队长期联合招聘优质的博士研究生，博士后，研究助理教授，科研助理等。
（1）博士研究生：博士研究生是由宁波东方理工大学（暂名）与上海交通大学(1+3)、中国科学技术大学大学(1+3)和香港理工大学(2+2)联合培养，毕业后授予上海交通大学、中国科学技术大学和香港理工大学博士学位。博士生在宁波东方理工大学（暂名）开展研究工作期间，提供有竞争力的助研津贴; 在香港学习期间，提供与香港理工的博士生同等助研津贴；
（2）博士后/研究助理教授：综合年薪税前40-60万元(含地方政府补助)，五险一金、带薪年假、节假日福利，享受教职工其他同等福利待遇，在站期间可宁波市申请最高不超过20万元的科研经费资助；可作为负责人申请各类人才项目及国家自然科学基金等课题，对获得中国博士后科学基金资助和省级博士后科研项目资助的，宁波市给予各类项目1:1配套经费支持；博士后出站留甬工作的，可享受最高不超过60万元的补贴。
（3）科研助理：薪酬(6-8k/月)，缴纳五险一金，具体待遇面议，优秀者可通过申请-考核制留校读博，或推荐至国内外合作课题组读博。
(4) 燃料电池: 电催化，特别是单原子催化的经验 （博士后和博士）。
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