中國粉體網(wǎng)訊 吳凡，中科院物理所博導(dǎo)；國科大教授；共青團(tuán)常州市委副書記；中科固能董事長。入選中科院百人計(jì)劃、《麻省理工科技評(píng)論》亞太區(qū)“35歲以下科創(chuàng)35人”（MIT-TR35-Asia Pacific）、中科協(xié)海智計(jì)劃特聘專家、江蘇省杰出青年基金。獲全國青年崗位能手（共青團(tuán)中央）；全國未來儲(chǔ)能技術(shù)挑戰(zhàn)賽一等獎(jiǎng)（中央軍委）；全國先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)創(chuàng)新挑戰(zhàn)賽二等獎(jiǎng)（國家工信部）；Wiley中國-開放科學(xué)年度作者；江蘇青年五四獎(jiǎng)?wù)碌取Ｈ沃袊茉磳W(xué)會(huì)副主任；中國共產(chǎn)黨江蘇省黨代表等。發(fā)表SCI論文100余篇，申請(qǐng)中國、美國、國際發(fā)明專利60余項(xiàng)。
2024年5月7日，中科固能中央研究院順利啟用，初始建院團(tuán)隊(duì)由吳凡科學(xué)家工作室的25位博士后、博士、碩士、工程師組成，下設(shè)材料研發(fā)、電芯研發(fā)、測試分析、科技發(fā)展、工程技術(shù)5大中心以及3大實(shí)驗(yàn)室。
2024年吳凡團(tuán)隊(duì)固態(tài)電池研究成果匯總
1、高離子電導(dǎo)率新型鹵化物固態(tài)電解質(zhì)
中科院物理所吳凡團(tuán)隊(duì)、胡勇勝團(tuán)隊(duì)和中山大學(xué)章志珍團(tuán)隊(duì)合作，報(bào)導(dǎo)了新型鋰超離子氯化物L(fēng)i3−xSc1−xZrxCl6和Li3−xSc1−xHfxCl6（x=0.25，0.50，0.625，0.75），它們?cè)谑覝叵卤憩F(xiàn)出高達(dá)2.2 mS cm−1的高離子電導(dǎo)率以及低電導(dǎo)率活化能壘（Zr和Hf類比分別為0.31和0.33eV）。Zr4+/Hf4+取代后電導(dǎo)率的顯著提高歸因于沿c軸的能壘降低以及由調(diào)整的Li+/空位濃度引起的相關(guān)遷移的增強(qiáng)。固態(tài)電池的評(píng)估進(jìn)一步證實(shí)了該電解質(zhì)在高壓ASSB中的應(yīng)用潛力。工作闡明了調(diào)整陽離子/空位濃度的影響，從而增強(qiáng)了相關(guān)遷移對(duì)陽離子電導(dǎo)率的影響。該策略可以擴(kuò)展到其他系統(tǒng)，并作為快離子導(dǎo)體設(shè)計(jì)的指南。
該研究成果以“Superionic Conductivity Invoked by Enhanced Correlation Migration in Lithium Halides Solid Electrolytes”為題，發(fā)表在儲(chǔ)能領(lǐng)域著名期刊《ACS Energy Letters》上（IF=22）。
2、高容量、長壽命、單晶超高鎳三元硫化物全固態(tài)電池
超高鎳層狀氧化物正極（LiNixCoyMn1-x-yO2，NCM，x≥0.9）有助于實(shí)現(xiàn)高能量密度和高安全性的硫化物全固態(tài)電池。然而，由于與硫化物電解質(zhì)之間界面副反應(yīng)、空間電荷層（SCL）和元素?cái)U(kuò)散，難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的循環(huán)。在此，中國科學(xué)院物理研究所、長三角物理研究中心、中科固能、天目湖先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)研究院吳凡團(tuán)隊(duì)與合作者提出了一種直接的固相涂層策略來合成Ni90-S正極，大大提高了復(fù)合正極的電荷傳輸能力，并抑制了硫化物全固態(tài)電池中的界面副反應(yīng)。由此產(chǎn)生的SC-Ni90-0.2%S/Li6PS5Cl/Li4Ti5O12全固態(tài)電池表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能，包括，在1C下500次循環(huán)后具有87%的容量保持率，11.44 mAh cm-2的高面容量，以及優(yōu)異倍率性能 (20C)。這些振奮人心的結(jié)果為ASSB的正極材料設(shè)計(jì)提供了一種有效的策略。本研究采用的策略為高鎳三元正極材料的設(shè)計(jì)提供了新的思路，可供未來高能量密度硫化物全固態(tài)電池參考。
該成果以“High-Capacity, Long-Life sulfide all-solid-state batteries with single-crystal Ni-rich layered oxide cathodes”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials上，通訊作者為中國科學(xué)院物理研究所博士生導(dǎo)師吳凡，第一作者為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士研究生劉歡。
3、低溫全固態(tài)電池的材料和化學(xué)設(shè)計(jì)
該成果著重考察了全固態(tài)電池的離子傳輸動(dòng)力學(xué)，并強(qiáng)調(diào)了它們?cè)诘蜏丨h(huán)境下所面臨的挑戰(zhàn)。通過研究微觀動(dòng)力學(xué)過程，包括固態(tài)電解質(zhì)內(nèi)Li離子的遷移、界面電荷轉(zhuǎn)移和電極擴(kuò)散，概述了低溫全固態(tài)電池在固態(tài)電解質(zhì)、界面和電極方面面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)和特定要求。基于這些見解，回顧了一系列面向高性能低溫全固態(tài)電池的材料和化學(xué)設(shè)計(jì)策略。最后，提出了未來改善低溫全固態(tài)電池性能的潛在研究方向。旨在提供對(duì)全固態(tài)電池低溫性能的深入理解和關(guān)鍵見解，以便提升其低溫性能。
該成果以“Materials and chemistry design for low-temperature all-solid-state batteries”為題發(fā)表在國際知名期刊Joule (IF=39.8), https://doi.org /10.1016/j.joule.2024.01.027，第一作者為寧波東方理工大學(xué)-中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士后盧普順，通訊作者為寧波東方理工大學(xué)孫學(xué)良院士、王長虹助理教授和中國科學(xué)院物理研究所吳凡研究員。
4、高離子電導(dǎo)率低能壘界面高性能低溫全固態(tài)電池
該成果通過比較低溫性能、電阻-溫度（R-T）關(guān)系以及LiNi0.90Co0.05Mn0.05O2(Ni90)復(fù)合正極的界面能壘，揭示了低溫運(yùn)行所需的正極/固體電解質(zhì)（SE）界面的關(guān)鍵動(dòng)力學(xué)特征。具體地，不穩(wěn)定的Ni90/硫化物SE界面帶來了不利的正極-電解質(zhì)界面相（CEI），導(dǎo)致CEI中的鋰離子傳輸緩慢和大的界面電阻。相反地，通過Li2ZrO3包覆層穩(wěn)定的Ni90/硫化物SE界面的界面活化能可以從60.19降至41.39 kJ mol-1。此外，通過將硫化物SE替換為鹵化物SE，可以構(gòu)建具有高穩(wěn)定性和低活化能（25.79 kJ mol-1）的快速離子傳導(dǎo)界面。通過降低界面活化能，離子在界面相和正極/界面相之間的傳導(dǎo)以及電荷轉(zhuǎn)移不再成為速率限制步驟，從而實(shí)現(xiàn)Ni90/LIC/LPSC/Li-In ASSB在-30℃下具有出色的容量輸出（57.3 mAh g-1）。此外，理論評(píng)估揭示了具有高離子電導(dǎo)率和低能壘的正極/SE界面有助于實(shí)現(xiàn)離子快速傳輸穿過界面相和正極與界面之間的界面。這些理解將啟發(fā)并推動(dòng)未來低溫全固態(tài)電池的改進(jìn)工作。
該成果以“Superior Low-Temperature All-Solid-State Battery Enabled by High-Ionic-Conductivity and Low-Energy-Barrier Interface”為題發(fā)表在國際知名期刊ACS Nano (IF=18.0)，通訊作者為中國科學(xué)院物理研究所吳凡研究員，第一作者為中國科學(xué)院物理研究所博士畢業(yè)生、寧波東方理工大學(xué)博士后盧普順。
5、低溫全固態(tài)電池限速機(jī)制及分析方法學(xué)
中國科學(xué)院物理研究所、中科固能吳凡團(tuán)隊(duì)，開發(fā)了一套標(biāo)準(zhǔn)測試分析流程，結(jié)合電化學(xué)阻抗譜和弛豫時(shí)間分布，準(zhǔn)確識(shí)別/揭示了全固態(tài)電池構(gòu)型中主要的速率限制過程/機(jī)制。專門研究了半電池/全電池中LiCoO2（LCO）和硅復(fù)合電極的低溫性能，以驗(yàn)證該測試分析流程對(duì)識(shí)別速率限制過程的有效性。
具體而言，識(shí)別了LCO+硫化物固態(tài)電解質(zhì)復(fù)合正極的速率限制過程為不利的界面相中緩慢的離子傳輸和受損LCO正極表面的電荷轉(zhuǎn)移過程。通過插入Li2ZrO3（LZO）包覆層減輕界面副反應(yīng)后，LCO@LZO+硫化物固態(tài)電解質(zhì)復(fù)合正極的速率限制過程變?yōu)榱蚧颯E自分解形成的界面相內(nèi)緩慢的離子傳輸。令人意外的是，通過使用鹵化物固態(tài)電解質(zhì)替換硫化物固態(tài)電解質(zhì)，LCO+鹵化物固態(tài)電解質(zhì)復(fù)合正極中的電荷轉(zhuǎn)移幾乎不受阻礙，其速率限制過程轉(zhuǎn)變?yōu)楹窆虘B(tài)電解質(zhì)隔膜層中的離子傳導(dǎo)，從而使其全固態(tài)電池在-40℃下具有高的容量保持率（41.4%）。此外，通過使用低活化能的超離子導(dǎo)體加速厚固態(tài)電解質(zhì)層中的離子傳導(dǎo)，使用硅復(fù)合負(fù)極組裝的全固態(tài)電池的容量保持率可以從28.9%提高到38.6%（-40℃）。這些全固態(tài)電池低溫性能的成功提升主要?dú)w功于對(duì)速率限制過程的準(zhǔn)確識(shí)別和調(diào)控。因此，這一測試分析流程是促進(jìn)全固態(tài)電池在低溫環(huán)境中實(shí)際應(yīng)用的強(qiáng)大工具。
該成果以“Rate-Limiting Mechanism of All-Solid-State Battery Unravelled by Low-Temperature Test-Analysis Flow”為題發(fā)表在國際知名期刊Energy Storage Materials (IF=20.4)，通訊作者為中國科學(xué)院物理研究所吳凡研究員，第一作者為寧波東方理工大學(xué)（暫名）-中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)博士后盧普順。
6、混合導(dǎo)電界面層實(shí)現(xiàn)高面容量、長循環(huán)壽命全固態(tài)鋰金屬電池
中國科學(xué)院物理研究所、中科固能吳凡團(tuán)隊(duì)，設(shè)計(jì)了一種由軟碳(SC)-立方相納米(nano) Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12(LLZTO)組成的離子和電子混合導(dǎo)電界面層。SC-nano LLZTO界面層充分結(jié)合了SC作為三維宿主材料的優(yōu)勢(shì)，以及立方相nano LLZTO的高離子電導(dǎo)率/擴(kuò)散系數(shù)和對(duì)金屬鋰的穩(wěn)定性。這為鋰的沉積提供了足夠的空間，解決了離子導(dǎo)電的固態(tài)電解質(zhì)/鋰金屬的界面不相容性問題，完全避免了副反應(yīng)的發(fā)生，并成功在界面層內(nèi)部構(gòu)建了一個(gè)相互連通的三維離子導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，有效促進(jìn)了Li+的快速傳輸，降低了局部電流密度，均勻化了鋰離子通量，抑制了鋰枝晶的生長，從而顯著提高了全固態(tài)鋰金屬電池在高電流密度/高面容量下的電化學(xué)性能。nano LLZTO具有更小的粒徑和更高的比表面積，能夠大大縮短離子的傳輸距離，加快鋰離子在界面處的傳輸速度，并誘導(dǎo)鋰金屬在其三維離子導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)上沉積，有效降低了局部電流密度，均勻化鋰離子通量，抑制了鋰枝晶的形成/生長，實(shí)現(xiàn)更加優(yōu)異的倍率和循環(huán)性能。
采用SC-nano LLZTO界面層的LZO@LCO/LPSCl/SC-nano LLZTO/Li ASSLMBs在6.0 mA cm-2的高電流密度和12.5 mA cm-2的超高電流密度下分別表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)性能(20000次循環(huán)，容量保持率為80%)和(4000次循環(huán)，容量保持率>98.3%)。此外，界面層還能使全固態(tài)鋰金屬電池在高面容量(4.7 mAh cm-2，相當(dāng)于34.81 mg cm-2的LZO@LCO質(zhì)量負(fù)載)和高電流密度(4.7 mA cm-2)條件下，實(shí)現(xiàn)較好的長循環(huán)性能(350次循環(huán)，容量保持率>94.4%)。它還實(shí)現(xiàn)了15 mAh cm-2的超高面容量(相當(dāng)于111.11 mg cm-2的LZO@LCO質(zhì)量負(fù)載)。最重要的是，SC-nano LLZTO界面層由低成本的復(fù)合材料組成，制備方法簡單易行，易于大規(guī)模生產(chǎn)。
該成果以“High-Areal-Capacity and Long-Cycle-Life All-Solid-State Lithium-Metal Battery By Mixed-Conduction Interface Layer”為題發(fā)表在國際知名期刊Advanced Energy Materials (IF=29.698)，第一作者為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士生楊明、中科院物理所博士生吳鈺婧，通訊作者為中國科學(xué)院物理研究所吳凡研究員。
7、冷凍干燥技術(shù)實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池中的原位正極包覆
全固態(tài)電池被認(rèn)為是下一代儲(chǔ)能器，但其活性材料比例低，陰極界面反應(yīng)嚴(yán)重。為了克服這兩個(gè)挑戰(zhàn)，中國科學(xué)院物理研究所、中科固能吳凡團(tuán)隊(duì)原位合成了一層快速離子導(dǎo)體Li3InCl6，通過冷凍干燥技術(shù)在LiCoO2表面實(shí)現(xiàn)均勻涂層，有效提高了活性材料在陰極中的比例/離子傳輸能力，降低了硫化物固體電解質(zhì)與LiCoO2之間的界面降解。所得鋰金屬全固態(tài)電池顯示出優(yōu)異的電化學(xué)性能，包括在20C（9.4mA/cm2）下的7000次循環(huán)和15mAh/cm2（110mg/cm2）的高負(fù)載。ASSB實(shí)現(xiàn)了340Wh/kg的能量密度。
該成果以“In-situ Cathode Coating For All-solid-state Batteries By Freeze-Drying Technology ”為題發(fā)表在國際知名期刊Nano Energy，第一作者為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士畢業(yè)生馬騰歡。
8、軟碳-Si3N4原位反應(yīng)構(gòu)建Li3N網(wǎng)絡(luò)，助力全固態(tài)鋰金屬電池
中國科學(xué)院物理研究所、中科固能吳凡團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種復(fù)合軟碳（SC）-Si3N4（SiN）夾層（SC-SiN），用于在鋰中嵌入Si3N4，促進(jìn)Li+的快速遷移和金屬鋰在夾層內(nèi)的均勻沉積后，原位形成Li3N網(wǎng)絡(luò)（具有高離子傳導(dǎo)性/擴(kuò)散性）。LCO/LPSCl/SC-SiN-Li ASSLMB實(shí)現(xiàn)了超高的電流密度（12.5 mA cm-2）、面積容量（15 mAh cm-2）、能量密度（402.5 Wh kg-1）和超長的循環(huán)壽命（22000次），打破了全固態(tài)鋰金屬電池的現(xiàn)有記錄。此外，組裝了軟包電池實(shí)現(xiàn)高能量密度（>320 Wh kg-1），證實(shí)了這種結(jié)構(gòu)的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用潛力，是實(shí)現(xiàn)全固態(tài)鋰金屬電池商業(yè)化的最關(guān)鍵突破之一。
該成果以“In-situ formed Li3N networks by soft carbon-Si3N4 for superior all-solid-state lithium-metal batteries”為題發(fā)表于Advanced Energy Materials (IF=27.8)，第一作者為物理所博士后王志軒。
9、軟碳-Li3N界面層原位相變實(shí)現(xiàn)無枝晶全固態(tài)金屬鋰電池
中國科學(xué)院物理研究所、中科固能吳凡團(tuán)隊(duì)，設(shè)計(jì)開發(fā)了一種兼具離子導(dǎo)電性和電子導(dǎo)電性的軟碳（SC）-Li3N界面層，其原位鋰化反應(yīng)不僅能將SC鋰化為具有良好電子/離子導(dǎo)電性的LiC6，還成功地將混合相Li3N轉(zhuǎn)化為具有高離子導(dǎo)電性/離子擴(kuò)散系數(shù)和鋰金屬穩(wěn)定性的純相β-Li3N。混合導(dǎo)電界面層有利于Li+在界面上的快速傳輸，并誘導(dǎo)金屬鋰在其內(nèi)部均勻沉積。這有效抑制了鋰枝晶的形成，大大提高了全固態(tài)金屬鋰電池的性能。裝配了SC-Li3N界面層的全固態(tài)金屬鋰電池表現(xiàn)出高面容量（15 mAh cm-2）、高電流密度（7.5 mA cm-2）和長循環(huán)壽命（6000次）。這些結(jié)果表明，這種界面層在高能量密度全固態(tài)金屬鋰電池的實(shí)際應(yīng)用中具有巨大潛力。
該成果以“Dendrite-Free All-Solid-State Lithium-Metal Battery By In-situ Phase Transformation of Soft Carbon-Li3N Interface Layer”為題發(fā)表在國際知名期刊ACS nano (IF=17.1)，第一作者為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士生楊明，通訊作者為中國科學(xué)院物理研究所吳凡研究員。
10、低壓力無枝晶硫化物固態(tài)電池
中國科學(xué)院物理研究所、中科固能吳凡團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新型室溫液態(tài)鋰負(fù)極材料鋰-菲-醚類（Li-Phen-Ether）。其相比已報(bào)道的聯(lián)苯（Bp）和萘（Naph）體系具有更高的安全性和化學(xué)穩(wěn)定性。為了實(shí)現(xiàn)更高的比容量和更好的長循環(huán)穩(wěn)定性，進(jìn)一步研制了3D LiSi@Li-Phen-Ether （3D LSLL）負(fù)極，這種復(fù)合陽極比純鋰和鋰硅合金更安全。在3D LSLL中，親鋰的Li-Phen-Ether充分浸潤LiSi合金粉末并形成3D Li+/e-快速遷移路徑。得益于充分穩(wěn)定的負(fù)極/SE界面接觸，對(duì)稱電池在室溫低壓下實(shí)現(xiàn)了高臨界電流密度（> 13mA cm-2）和長循環(huán)壽命（> 1000 h，0.25mA cm-2）。此外在正極界面處引入DOL原位聚合的凝膠界面層，組裝的LFP/硫化物電解質(zhì)/3D LSLL全電池可以在極低的外部壓力（0.5MPa）和室溫下以高倍率（2C）實(shí)現(xiàn)超過300次的穩(wěn)定循環(huán)。
該成果以“ Low-pressure Dendrite-free Sulfide Solid-state Battery with 3D LiSi@Li-Phen-Ether Anode”為題發(fā)表在Energy Storage Materials上，第一作者為中國科學(xué)院物理研究所博士生伍登旭，通訊作者為中國科學(xué)院物理研究所吳凡研究員。
11、新型高濕度穩(wěn)定型硫化物固態(tài)電解質(zhì)
中國科學(xué)院物理研究所吳凡團(tuán)隊(duì)聯(lián)合李泓、肖睿娟團(tuán)隊(duì)、以及中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所潘世烈團(tuán)隊(duì)結(jié)合高通量計(jì)算篩選平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)方法，成功發(fā)現(xiàn)了一系列具有新穎晶體結(jié)構(gòu)、優(yōu)異耐濕性和低鋰離子遷移勢(shì)壘的硫?qū)倩锕虘B(tài)電解質(zhì)家族Li2BMQ4（B = Ca、Sr和Ba；M = Si、Ge和Sn；Q = O、S和Se，I空間群）。文章以Li2BaSnS4和Li2SrSiS4母體材料為例，對(duì)該系列材料的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該類材料展現(xiàn)出了良好的耐濕性，同時(shí)表現(xiàn)出較好的鋰離子電導(dǎo)率。進(jìn)一步計(jì)算表明，氯元素?fù)诫s能夠顯著提升該類材料的離子電導(dǎo)率(約三個(gè)數(shù)量級(jí))，最高室溫離子電導(dǎo)率能夠達(dá)到0.72mS/cm。
該成果以“Moisture-stable chalcogenide solid electrolytes in Li2BMQ4（B = Ca, Sr and Ba；M = Si, Ge and Sn；Q = O, S and Se）systems”為題發(fā)表在ACS Energy Letters上，第一作者為北京科技大學(xué)毛慧燦博士、中國科學(xué)院物理研究所朱祥碩士、中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所李廣卯博士，通訊作者為中國科學(xué)院物理研究所吳凡研究員、李泓研究員、肖睿娟副研究員、中國科學(xué)院新疆理化技術(shù)研究所潘世烈研究員。
參考來源：
IOPLY吳凡科學(xué)家工作室、中科固能
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/蘇簡）
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