孟穎（Ying Shirley Meng）教授供職于加州大學圣地亞哥分校，她是能源技術扎布爾講座教授及材料科學與納米工程教授、能源存儲與轉換實驗室（LESC）首席研究員。于2005年取得新加坡-麻省理工聯合培養微納米系統博士學位，隨后在麻省理工學院進行博士后工作并擔任研究科學家。曾榮獲國際電池協會電池研究獎（2019年）、美國化學學會應用材料與界面青年研究者獎（2018年）、IUMRS新加坡青年科學家研究獎（2017年）、電化學學會C. W. Tobias青年研究者獎（2016）和NSF CAREER獎（2011）等。她是世界上在能源存儲和轉換納米材料領域的頂尖專家之一，致力于推動能源向高效和可持續的能源存儲技術過渡。這兩個月，孟教授的成果頻繁登上頂刊，發表了一篇Science，兩篇Nature Energy！一起來看一下吧！一、全固態純硅負極2021年9月24日，加州大學圣地亞哥分校孟穎教授和陳政教授在Science發表重磅成果，Carbon-free high-loading silicon anodes enabled by sulfide solid electrolytes，利用硫化物固體電解質（SSE）實現了穩定的無碳高負載硅陽極。在本工作中，μSi||SSE|NCM811電池中使用了由99.9 wt % μSi組成的μSi電極，以克服μSi的界面穩定性挑戰和全固態電池（ASSBs）當前的密度限制。在5 mA cm-2下，對μSi-NCM811全電池進行循環后發現，在500次循環后可以提供80%的容量保留，這表明ASSBs使用的μSi的整體耐用性。鋰電Science，全固態電池再突破！二、堆疊壓力的大作用2021年10月18日，孟穎教授、Chengcheng Fang和愛達荷國家實驗室Boryann Liaw等人在Nature Energy上發表文章，對使用液態電解質的鋰金屬電池的堆疊壓力進行了定量研究，揭示了這一長期被人忽略的參數對鋰金屬沉積和剝離行為的影響。在350 kPa下，作者獲得了具有理想柱狀形貌和最小表面積的超致密Li沉積(99.49%的電極密度)，并使其在循環過程中具有高度可逆的非活性Li形成，在室溫下快速充電(4mA cm-2)實現了>99%的庫侖效率。孟穎Nature Energy：電池這個參數至關重要，別忽略！三、如何實現鋰金屬庫侖效率>99.9%就在最近，2021年10月20日，孟穎教授聯合MIT邵陽教授和Gallant教授在Nature Energy再度發表綜述文章，這個綜述回顧了鋰金屬電池電解液的發展，并對未來如何實現庫侖效率大于99.9%的鋰負極提出了展望。接下來，我們對這篇文章進行解讀。經過幾十年的發展，鋰金屬仍然不能用作商用可充電電池的陽極。理論上，鋰金屬電池能量密度（約2000Wh l-1，與金屬氧化物陰極匹配）滿足未來電動汽車的目標（>750Wh l-1）。然而，對可逆性的極致要求，要求庫侖效率（CE）超過99.95%，甚至超過99.99%，才能在1000個周期內保持80-90%的容量，但這是一個尚未實現的目標。CE的定義是可以從負極上電化學剝離的鋰的量與之前電鍍的鋰的量之比。在液體電解質中，Li可逆性的限制以及CE的限制是由于電解質在Li電位下的熱力學不穩定性造成的。到目前為止，還沒有電解質能夠使CE以超過99.9%的CE循環1000次。但是，回顧歷史，Li的CE一直是在提高的，有兩個原則指導了電解質設計：第一，抑制鋰上不利的溶劑還原（例如，使用醚而不是碳酸酯）；第二，選擇性地促進某些涉及溶劑和/或鹽的反應，以達到被認為有利于鋰可逆性的特定SEI相。因此，許多有前途的系統比以往任何時候都更接近99.9%CE的目標，甚至近年來在部分循環中突破了99.9%。
鋰金屬電池電解液的發展史
圖1. 歷史上鋰金屬電池中的電解液的改善策略圖1回顧了鋰金屬電池電解液的發展史，電解液的發展大致經歷了這么幾個階段：1、碳酸酯基電解液。1974年，1 M LiClO4/碳酸丙烯酯（PC），CE達到約80%。隨后可以使用添加劑實現適度改進（CE = 83.6%，1977年），但碳酸酯溶劑因其強極性碳氧鍵和無法形成保護性SEI而與鋰特別不穩定。2、醚類電解液。弱極性、更穩定的醚取代碳酸酯導致CE的大幅增加，1M LiAsF6/四氫呋喃（THF）的CE為89.4%（1978），次年1-1.5M LiAsF6/2-甲基四氫呋喃的使用，達到97.4%的CE。后來引入了醚基混合物，如二乙醚（DEE）/THF（CE = 97.6%，1982年）。但是之后CE的改善停滯了20多年，因為鋰離子進展很大，鋰金屬的研究被擱置。3、氟化電解液。2010年左右，鋰金屬電池研究重新興起，人們發現氟化電解質可以使CE突破99%。LiFSI和LiTFSI被廣泛用作電解液的鹽，還有雙鹽體系，此外，這些鹽的溶解度更高，能夠形成獨特的溶劑化結構，有利于穩定的SEI的生成。除了鹽的氟化，電解液也氟化，比如FEC的使用，7 M LiFSI/FEC可以達到99.6%的CE（2018年），此期間，很多研究者使用了電解質工程策略，使用多組分電解質配方和非傳統溶劑，比如2 M LiFSI/1 M LiTFSI DOL/DME + 3 wt% LiNO3實現了99.6%CE（2019年）。4、局域高濃度電解液（LHCEs）。局部高濃度電解液中使用低濃度的LiFSI和/或LiTFSI以實現超濃縮電解質的有益方面。局域高濃度電解液中含有配位弱的溶劑，降低了鹽濃度，但是不破壞溶劑化結構。比如碳酸二甲酯(DMC)溶劑，用配位較弱的氟醚稀釋，如雙(2,2,2‐三氟乙基)醚(BTFE)，降低總鹽濃度(≤2.5M)，CE高達99.5%。5、加壓液化氣體（Liquified gas）電解質。因為LiTFSI和LiFSI很容易溶解，它們甚至可以在完全非極性溶劑中使用，如加壓液化氣體電解質(例如，CH3F)，最近即使在低鹽濃度(0.3 M LiTFSI in CO2/CH3F + 0.3 M THF)下也能達到99.9%的CE。這是孟穎教授發表在2019年的Joule上的成果（Joule, 2019, 3, 1986-2000），該系統是迄今為止報道的最高的CE，是在Cu||Li電池中循環100-500次的平均CE。
Hobold, G.M., Lopez, J., Guo, R. et al. Moving beyond 99.9% Coulombic efficiency for lithium anodes in liquid electrolytes. Nat Energy 6, 951–960 (2021).
