Arumugam Manthiram，美國德克薩斯大學奧斯汀分校Cockrell Family Regents Chair教授，材料研究所所長、材料科學與工程研究生項目主任。Manthiram教授分別于1974年和1976年在印度Madurai University取得學士和碩士學位，1980年于印度理工學院獲得博士學位，1985年在牛津大學任研究助理，于1986年加入德克薩斯大學奧斯汀分校。1989年與John B. Goodenough教授一同發明了電池用聚陰離子氧化物正極。Manthiram教授于2017-2020連續四年入選web of science材料和化學兩個領域的“全球高被引學者”，同時還是美國材料研究學會，國際電化學學會，美國陶瓷學會，英國皇家化學學會，美國科學促進會和世界材料和制造工程學會等六大專業學會會士，世界陶瓷科學院院士。Manthiram教授曾于2019年代表John B. Goodenough教授在瑞典發表題為“鋰電正極設計”的諾貝爾化學獎主題演講，也被坊間視為Goodenough教授的“接班人”。Manthiram教授的研究領域主要為清潔能源技術：可充電電池（鋰離子、鈉離子、多價離子、鋰硫電池和全固態電池等）、燃料電池（質子交換膜、甲醇和固體氧化物燃料電池）、固態化學等，課題組官網（http://sites.utexas.edu/manthiram）顯示Manthiram教授先后在國際著名學術刊物上發表論文800余篇，論文被引用63000多次，H指數126 （最新Google Scholar數據顯示被引78000余次，H指數139）。Manthiram教授是Chemistry of Materials; ACS Energy Letters; Energy Storage Materials; SmartMat等著名期刊的編委會成員，同時是國產期刊Energy & Environmental Materials的副主編。在此，小編匯總了Arumugam Manthiram教授2021年上半年最新的代表性工作，以饗讀者。
Adv. Energy Mater.: 描述鋰硫電池中鋰-電解質界面化學和鋰沉積的動力學
穩定金屬鋰負極是實現高能量密度長循環壽命鋰硫電池的主要障礙，鋰表面動態演化的固態電解質界面層的化學性質是實現鋰可逆電鍍和剝離的關鍵。在此，Arumugam Manthiram教授等人首次采用無負極全電池配置來有效研究Li-S電池中鋰-電解質界面的化學性質及其對鋰沉積的影響。不含過量鋰的無負極全電池配置可作為表征鋰-電解質界面的極好模板，因為沉積的鋰完全在原位形成，并且還可以準確評估鋰循環效率。作者使用不同的電解質配方來研究組成-性質關系，這些關系是各種界面成分在確定鋰沉積動力學方面的關鍵作用的基礎，此外詳細描述了TFSI–陰離子中不同官能團、LiNO3的氧化性和無處不在的多硫化物中間體之間復雜的協同作用。這項研究為 Li-S系統中界面組分的獨特化學及其與整體電化學性能的相關性提供了新的思路。當與硫正極配對時，所產生的新見解可能有助于開發穩定金屬負極（Li、Na、K、Mg等）的方法。Delineating the Lithium-Electrolyte Interfacial Chemistry and the Dynamics of Lithium Deposition in Lithium-Sulfur Batteries, Advanced Energy Materials. 2021. DOI: 10.1002/aenm.202003293https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.202003293
EnSM: 鋰離子電池用單晶層狀氧化物正極的展望
新興的電動汽車和電網存儲市場對鋰離子電池的需求呈指數增長，對更高能量密度和更長循環壽命的需求尤為迫切。增加層狀氧化物正極中的Ni含量一直是增加能量密度的主要策略，但這加劇了表面反應性問題。此外，與容量增加相關的高電荷狀態會導致多晶正極顆粒破裂，從而暴露新的表面并加速容量衰減。具有低開裂敏感性的單晶正極顆粒由于其顯著的可循環性引起了廣泛的研究興趣，文獻研究探索了許多不同的單晶合成方法，但迄今為止還沒有對不同技術進行系統分析。Arumugam Manthiram教授等人通過經典晶粒生長理論的視角回顧了有關單晶正極合成的文獻，提供了見解，并有望加速采用有前途的單晶正極形態。這篇綜述首先介紹了正極形態的發展歷史，然后介紹了LiNi1-x-yMnxCoyO2 (NMC)正極材料的失效機制，其中著重描述了顆粒破裂和電解液滲透，最后總結了單晶正極的合成方法、理論計算和表征測試方法等。作者鼓勵研究人員擴展這篇文章中回顧的工作，以便能夠更快、更經濟地利用具有優異循環性能和能量密度的單晶正極。A perspective on single-crystal layered oxide cathodes for lithium-ion batteries, Energy Storage Materials. 2021. DOI: 10.1016/j.ensm.2021.02.003https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.02.003
ACS Energy Lett.: 揭開鋰離子電池高鎳正極中殘留鋰的復雜性
高鎳層狀氧化物正極受到表面殘留鋰形成的嚴重影響，這會導致重大問題，例如漿液凝膠化和氣體逸出。這些凝膠導致在漿料澆鑄過程中形成不均勻的表面，這是工業化批量生產高鎳正極的主要挑戰之一。這意味著除非徹底控制殘留的鋰，否則很難在實際電池中應用性能優異的高鎳層狀氧化物。Arumugam Manthiram教授等人首次對殘留鋰進行了徹底研究，采用一種新的滴定方法，結合氫氧化鈷干涂前后的結構分析，對影響LiNi0.91Mn0.03Co0.06O2（NMC91）中Li2CO3和LiOH生成和去除的因素進行了綜合分析并揭示了以下內容：(1) 鋰原料中的 Li2CO3雜質導致合成后高鎳正極中殘留鋰的增加。(2) 在水中制備分析物期間，從高鎳正極浸出鋰而形成的 LiOH 夸大了殘留鋰中的 LiOH 含量（采用新的滴定方法）。(3) 高鎳正極上的干燥氫氧化鈷涂層不僅有效降低了殘留鋰含量，而且導致在表面形成富鈷濃度梯度層，在與水接觸時抑制鋰浸出。最后，作者對表面穩定的鈷涂層NMC91的循環性能進行了評估，結果表明其循環性能非常穩定。上述研究結果可以幫助學術界和工業界準確測量殘留鋰含量并減輕其不良后果。Unraveling the Intricacies of Residual Lithium in High-Ni Cathodes for Lithium-Ion Batteries, ACS Energy Letters. 2021. DOI: 10.1021/acsenergylett.1c00086https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsenergylett.1c00086
Small Methods: 鋰基電池用高壓尖晶石正極的進展與展望
插入化合物在商用鋰離子電池的正極材料中占據主導地位。與層狀氧化物和聚陰離子化合物相比，尖晶石結構正極的發展較為落后。由于具有高工作電壓（≈4.7 V）、高容量（≈135 mAh g-1）、低環境影響和低制造成本等一系列優點，高壓尖晶石LiNi0.5Mn1.5O4（LNMO）代表了用于推進高能量密度鋰離子電池的高功率正極。然而，該正極的廣泛應用和商業化因其循環性能差而受到阻礙。Arumugam Manthiram教授等人綜述了高壓尖晶石型LNMO正極材料的基礎和技術進展。在總結前人研究進展的基礎上，重點總結和分析了先進材料制備和表征技術對高壓尖晶石型LNMO正極發展的影響。深入討論了近年來先進電池發展方法（如固體電解質方法、界面工程方法和交替負極方法等）在高壓鋰離子電池發展中的整合。在這篇文章中，作者探討了高壓尖晶石正極的結構-性能相關性和失效機制。然后總結了減輕高壓尖晶石正極循環穩定性問題的最新進展，包括結構設計、摻雜、表面涂層和電解質改性的各種方法。最后，提出了未來的展望和研究方向，旨在為實用高壓尖晶石正極的發展提供指導和借鑒。Advances and Prospects of High-Voltage Spinel Cathodes for Lithium-Based Batteries, Small Methods. 2021. DOI: 10.1002/smtd.202001196https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smtd.202001196
Adv. Funct. Mater.: 高鎳正極鋰金屬電池中的交叉效應
眾所周知，正極到負極的交叉，尤其是過渡金屬離子的交叉，會顯著影響鋰離子電池的長期循環。鋰離子電池中溶解的過渡金屬離子沉積在石墨負極上，破壞固體電解質中間相 (SEI)，并催化進一步的副反應。同時對于Li-S電池，正極對負極的影響得到了大規模研究，多硫化物可以穿梭并與負極反應以穩定SEI。據報道，類似的交叉對鋰金屬電池的影響有限。但是，到目前為止還不清楚負極-正極交叉是否會對層狀鎳錳鈷氧化物（NMC）系統產生有顯著影響，尤其是對高鎳體系。Arumugam Manthiram教授等人首次研究了具有高鎳層狀氧化物正極的鋰金屬電池的交叉效應。結果表明，在碳酸鹽電解質實現的有限循環范圍內，高鎳層狀氧化物正極中過渡金屬離子的溶解嚴重，這對于反應性高、壽命短的LMA而言并不重要。實際上，即使在其他半電池中也容易掩蓋其寄生腐蝕。相反，來自LMA的分解產物（如POF2OH和聚碳酸酯）可以穿過正極，并改變正極上的CEI。負極到正極的交叉也會影響負極本身，可溶性物質會流失到電解質中。這種行為對鋰金屬電池的循環性能有重要影響，應在研究中加以考慮。預計更先進的鋰金屬電池將看到這些交叉效應轉變的相對重要性，作者指出，3D 負極、人工 SEI、濃電解質和其他修飾可以降低 LMA 的反應性，同時增加沉積過渡金屬的濃度并減少分解物質的產生。Crossover Effects in Batteries with High-Nickel Cathodes and Lithium-Metal Anodes, Advanced Functional Materials. 2021. DOI: 10.1002/adfm.202010267https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202010267
