一作+通讯！武大校友肖婕教授，最新Nature Energy！
学术
2024-10-08 21:41
河南
阴极-电解质界面（CEI）是影响电化学电池性能的关键因素，因其在电池的可用容量和循环稳定性中的重要作用，近年来成为了研究热点。然而，与固态电解质界面（SEI）相比，CEI的研究相对较少，主要原因在于现有锂离子电池中负极的低电位使得副反应更加普遍，从而掩盖了阴极界面的问题。此外，在较低截止电压下，碳酸盐基电解质在阴极上较为稳定，但随着对高能量电池技术需求的增加，提高电池工作电压已成为趋势，这使得稳定的CEI层变得至关重要。然而，CEI的形成机制复杂，且在不同电池体系中的表现差异较大，导致相关研究结果存在不一致甚至争议。有鉴于此，美国太平洋西北国家实验室肖婕教授团队在Nature Energy期刊上发表了题为“Assessing cathode–electrolyte interphases in batteries”的最新综述论文。科学家们综述了CEI在高电压下的形成和演变，提出了使用模型阴极材料和纽扣电池协议建立基准性能的方法，并分析了在高电压下稳定CEI的可能解决方案。研究结果表明，通过调节电解质配方和控制阴极表面化学，可以有效改善CEI的稳定性，从而进一步提升电池的整体性能。![]()
肖婕教授本硕毕业于武汉大学，博士毕业于纽约州立大学宾汉姆顿分校，现为华盛顿大学材料科学与工程系副教授，太平洋西北国家实验室（PNNL）研究员。肖博士的研究兴趣包括材料合成，电催化/电化学动力学，以及高级表征，了解能源相关材料构效关系及其潜在的反应机理，尤其对能量存储和转换的新材料和新技术感兴趣。肖博士发表了100余篇同行评审的期刊论文（Google H-index = 72；被引：21,225）和写了2本书章节。自2017年以来，一直入选Clarivate Analytics材料化学领域被引Top1％。1. 本综述指出阴极-电解质界面（CEI）在电化学电池中对可用容量和循环稳定性至关重要，然而相比于固态电解质界面（SEI），CEI的研究相对较少，主要原因是负极在低电位下的副反应更为常见，尤其是在现有锂离子电池的低截止电压中。因此，随着对高能量电池技术的需求不断增加，深入研究CEI变得愈发重要。2. 实验通过使用模型阴极材料和纽扣电池协议，建立了评估CEI性能的基准条件。这种方法帮助解释了阴极-电解质界面研究中不一致甚至有争议的结果，指出了影响CEI性质的因素，包括电解质配方、阴极表面化学、形貌以及电极电位等。3. 综述分析了在高电压下稳定CEI的挑战，并提出了可能的解决方案。通过对CEI的表征和模拟，本文探讨了其在不同电池系统中的适用性，特别是如何在原子尺度上调控CEI的形成和演变，以进一步提高电化学能量存储系统的稳定性和性能。4. 最后，本文总结了CEI在提高高能量电池性能中的关键作用，呼吁未来的研究应更加重视阴极-电解质界面的研究，并提出了在实验与理论模拟相结合下优化CEI的建议。图1：具有不同形貌的单晶富镍NMCLiNixMnyCozO2 (NMC811: x = 0.8, y = 0.1, z = 0.1）模型材料。图2：在石墨负极的全纽扣电池中，测试NMC811多晶的电化学性能。图3：在充电过程中，在正极（电池中的阴极）和负极侧（电池中的阳极）上形成的双电层。图4: 在实验和理论相结合的基础上，解决复杂电化学界面的化学和结构特征方法。本文探讨了在模拟电化学界面（CEI）时面临的挑战与机遇，强调了将经典分子动力学模拟与现代机器学习（ML）相结合的潜力。传统的经典分子动力学方法虽然有效，但由于缺乏对化学相互作用的电子表征，其准确性和可转移性受到限制。为了解决这些问题，基于机器学习的力场能够在保持量子级准确性的同时，降低计算成本，从而实现对复杂界面结构和反应路径的全面探索。此外，文章指出，建立实验与模拟之间的反馈循环至关重要。这一过程不仅有助于准确捕获CEI的关键结构和化学特征，还有助于通过与实验结果的对比，不断完善模拟模型。因此，通过在硬币电池协议下进行系统性测试，科学家们能够获得对CEI形成的深刻理解，并为电化学设备的设计提供宝贵的理论依据。这一研究思路为未来开发更高效的电解质和表面工程策略奠定了基础，推动了电池材料创新的实际应用进程。Xiao, J., Adelstein, N., Bi, Y. et al. Assessing cathode–electrolyte interphases in batteries. Nat Energy (2024). https://doi.org/10.1038/s41560-024-01639-y🌟 同步辐射，找华算 ！三代光源，全球机时，最快一周出结果，保质保量！👉全面开放项目：同步辐射硬线/软线/高能/液体/原位/SAXS/GIWAXS/PDF/XRD/数据拟合！🏅 500+博士团队护航，助力20000+研究在Nature&Science正刊及子刊、Angew、AFM、JACS等顶级期刊发表！
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