胡勇胜，2001年在武汉理工大学材料学院获硕士学位，2004年中科院物理研究所获博士学位。曾先后到德国Max-Planck固体研究所做博士后和Principal researcher（2004-2007），美国加州大学圣芭芭拉分校从事博士后研究（2007-2008）。现为中科院物理研究所研究员，博士生导师，在E01组工作。在Science、Nature Energy、Nature Mater.、Joule、Nature Commun.、Science Adv.、ACS Energy Letters、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Energy Storage Materials、J. Mater. Chem. A、Energy & Environ. Sci.、Angew. Chem. Int. Ed.、JACS、Nano Letters等国际重要学术期刊上共合作发表论文200余篇，引用30000余次，H-因子90，连续7年入选科睿唯安 “高被引科学家”名录。合作申请60余项中国发明专利、5项国际发明专利、已授权40项专利（包括美国、日本、欧盟等5项）。担任ACS Energy Letters杂志资深编辑及多个专业杂志的审稿人。同时也是知名钠电企业中科海纳创始人。
今天，我们一起来盘点一下胡勇胜老师团队在2022年取得的重要研究成果。
1. Nature Energy：在钠电池中实现能量密度超过200 Wh kg-1的界面工程
近年来，钠离子电池引起了学术界和工业界的广泛兴趣。然而，它们的能量密度仍然低于锂离子电池。在这里，本工作报道了一个初始的无负极钠电池，其能量密度超过200 Wh kg-1，甚至高于商业化的LiFePO4||石墨电池。通过在铝集流体和电池中的含硼电解液中引入石墨化碳涂层，本工作发现均匀的成核和牢固的界面相可以实现可逆和无裂纹的Na沉积。得益于构建的协同界面产生的协同效应，在不施加额外压力的情况下，钠电池的循环寿命达到了260圈，这对于零过量钠的大尺寸电池来说是最长的。本工作从钠的沉积/剥离行为和界面化学中获得的见解为进一步开发更高性能的钠电池铺平了道路。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41560-022-01033-6
相关内容链接：
物理所胡勇胜/陆雅翔最新Nature Energy
2. Nature Sustainability：用于可持续电池的层状氧化锰正极中的拓扑保护的氧氧化还原作用
锰因其丰度和低毒性，可作为大规模储能系统中的正极材料。然而，采用这种电极化学的锂离子和钠离子电池都存在性能迅速衰减的问题。本工作报道了一种P3型层状锰氧化物正极材料Na0.6Li0.2Mn0.8O2(NLMO)，在锂半电池中具有240 mAhg-1的高容量和优异的循环稳定性。结合实验和理论表征揭示了一种特征拓扑结构，使其具有良好的电化学性能。其中，-α-γ-层堆叠为晶格氧的氧化还原提供了拓扑保护，而P2结构的NLMO不具有可逆性，为-α-β构型。本工作确定的新序参量为合理设计可持续电池的可逆富锰正极材料提供了一条途径。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41893-021-00809-0
3. Nature Communications：用于高性能全固态碱金属电池的拓扑聚合物固体电解质的合理设计
聚环氧乙烷基固态电解质被广泛认为是下一代锂和钠金属电池的有前途的候选者。然而，低抗氧化性和低阳离子迁移数等挑战阻碍了聚环氧乙烷基电解质的广泛应用。为了避免这些问题，本工作提出了一种含氟聚合物poly(甲基丙烯酸2,2,2-三氟乙酯)的设计、合成和应用。该聚合物引入到聚环氧乙烷基固体电解质中，提高了电化学窗口稳定性和迁移数。通过多种物理化学和理论表征，本工作确定了定制超分子键的存在和特殊的形貌结构是导致电化学性能提高的主要因素。聚合物固态电解质也在锂和钠金属实验室规模全电池中进行了研究。有趣的是，在单层软包电池结构中，结合金属锂负极和磷酸铁锰锂基正极，聚合物固态电解质在42 mAg-1和70℃下可循环200圈。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-31792-5
4. Angew：筛选具有可逆容量的杂原子构型有望实现高功率钠离子电池
杂原子掺杂已被证明可以有效地提高容量，然而，高的容量经常伴随着令人失望的初始库仑效率(ICE)。在此，本工作提出了一种杂原子构型筛选策略，通过对磷酸盐处理的碳材料引入二次碳化过程，去除不可逆的杂原子构型，同时保留可逆的杂原子构型和自由基，实现了高容量和ICE(≈250 mAh g-1,80%)之间的同步。本工作还研究了Na储存机制，以揭示平台缺失的原因。这项工作可以启发对不可逆的杂原子构型进行区分和过滤，并促进未来面向高功率钠离子电池的实用碳负极的设计。在P/O掺杂上采用杂原子构型筛选策略，C-O和PO3-的不可逆构型被去除，而C=O和PO43-/PO23-等构型以及自由基可以被保留甚至增强。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/anie.202116394
5. J. Am. Chem. Soc.：采用高熵构型策略设计具有优异电化学性能和热稳定性的钠离子层状氧化物正极材料
钠离子层状氧化物正极材料(NaxTMO2, TM=过渡金属离子(s)))作为锂层状氧化物正极材料(如LiCoO2、镍钴锰酸锂等)的类似物，随着钠离子电池的发展受到了越来越多的关注。然而，由于NaO2中Na+半径较大，Na+-Na+静电斥力较强，因此在NaxTMO2中观察到一些不希望的相变。本工作深入研究了高熵构型对钠电层状氧化物结构和形貌的影响，以及对电化学性能提高的作用机制。结果表明，高熵材料具有椭球形貌暴露出更多Na+传输通道，扩宽的过渡金属层扩大了Na+传输通道，并且显著降低了Ni3+八面体的姜泰勒扭曲和抑制了Na+/空位有序无序转变以及晶格参数变化。因此高熵材料在长循环过程中具有优异的结构稳定性。本研究还首次提出高熵构型可以显著提高材料的热安全性能。
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c02353
6. ADV ENERGY MATER：可逆激活NASICON型磷酸盐正极V4+/V5+氧化还原电对
Na超离子导体结构的Na3V2(PO4)3正极材料由于其坚固的3D框架所提供的长循环寿命和高热稳定性而引起了人们的极大兴趣。然而，它们的实际应用仍然受到原材料成本高和能量密度有限的阻碍。在此，本工作开发了一种低成本的Fe2+掺杂策略，本工作设计的Na3.4V1.6Fe0.4(PO4)3（NVFP-0.4）正极展示了可逆的V4+/V5+反应，基于Fe2+/Fe3+、V3+/V4+和V4+/V5+的氧化还原电对，获得超两电子反应。更重要的是，在没有预钠化处理和添加任何钠化剂的情况下，Na3.4V1.6Fe0.4(PO4)3被精心设计为全电池中的正极和钠自补偿剂，从而实现了≈260 Wh kg-1的能量密度。这项工作为提高实际钠离子电池的能量密度和设计钠自补偿提供了参考。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/aenm.202200966
7. Energy Storage Materials：多缺陷可商业化的三维碳纸用于制备高负载量和长寿命的复合锂负极
金属锂由于具有较高的理论比容量和较低的电化学还原电位，被认为是最有前景的负极材料。然而，锂枝晶的形成和循环过程中巨大的体积变化严重影响了其实际寿命。最近，人们提出了各种策略来解决锂负极的电化学/化学稳定性，通过制备具有一定能量密度的复合结构。在此，本工作成功地将丰富的结构缺陷引入到商业3D碳纸(3D CP)中，然后将其作为基体(3D CP/D)来构建Li复合负极(3D CP/D-Li)。实验观察发现，氧处理极大地改善了3D CP/D的亲锂性，不仅可以实现熔融锂的均匀负载，而且有利于循环过程中锂的剥离和电镀。使用3D CP/D-Li的对称电池可以在12 mA cm-2的超高电流密度下运行超过600圈。使用商业镍钴铝(NCA)作为正极材料组装的电池(NCA|3D CP/D-Li)与使用裸锂作为负极(34.4%和72.2 m Ah g-1)相比，容量保持率提高了74.4%，500次循环后的可逆容量高达160.2 mAh g-1。这项工作建立了一种新的策略来制备具有高负载量和长寿命的锂复合负极，为下一代高能量密度锂离子电池复合负极的发展提供了新的思路。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.ensm.2022.05.045
8. ACS Appl. Mater. Interfaces：调控合成具有增强导电网络的α-NaVOPO4作为水系钠离子电池的高性能正极
低成本和丰富的钠储量使钠离子电池(NIBs)成为锂离子电池在电网规模储能应用中的潜在候选者。NaVOPO4具有较高的理论容量和能量密度，被公认为是最有前景的高能正极材料之一。然而，它们的进一步应用受到多相转变和电导率限制的阻碍。在此，本工作提出了一种可行的一步水热合成法来调控形貌可控的α-NaVOPO4的合成。以科琴黑(KB)作为优化的导电碳可以显著提高NaVOPO4电极的电化学性能。此外，结合纳米化和高能球磨构建导电骨架，以KB为导电碳，制备的NaVOPO4/5% KB表现出优于原始NaVOPO4(0.1 C下的比容量为128.5 mAh g-1，10 C下循环1000次的容量保持率为83.1%)的储钠性能(0.1 C下的比容量为140.2 mA h g-1，10 C下循环1000次的容量保持率为84.8%)。此外，以Na Ti2(PO4)3为负极的水系全电池在0.2 C(141 W h kg-1能量密度)下的容量为114.7 mAhg-1，在5 C下循环300次后的容量保持率为80.6%。优异的电化学性能可归因于纳米尺寸的结构和增强的界面效应，这有助于构建电子传输隧道，从而加快Na+扩散动力学。该改性策略提供了一种有效的强化电化学性能的方法，展示了NaVOPO4正极在钠离子电池中的潜在应用。
原文链接：
https://doi.org/10.1021/acsami.1c22655
9. ACS Energy Lett.：电解质中的溶剂化结构与钠离子电池的界面化学
电解质是连接高氧化性正极和高还原性负极的媒介，对于任何电池技术的正常运行至关重要。先进电解质的成功开发标志着电池技术的关键改革。例如，碳酸乙烯酯(EC)在电解液中的使用开启了锂离子电池(LIBs)的时代；目前固态电解质的发展预示着未来固态锂离子电池的革命。在过去的几十年中，研究人员一直致力于揭示SEI/CEI层与其功能之间关系的规律，包括电池的循环寿命、倍率性能、气体生成和安全性。然而，电解液设计和电池性能的潜在规律仍然是一个"黑箱"，需要进一步理解。电解液体系中共溶剂的具体设计以及溶剂-溶剂相互作用的调控可能是未来开发兼具高性能和低成本的先进功能电解质的方向。此外，使用具有不同溶剂化阴离子的双盐或多种类型的钠盐可能是调控钠离子电池溶剂化结构和界面化学的另一个重要途径。总体而言，电解质盐浓度与溶剂化结构相关性的研究为实现可充电负极界面化学(结构)的目标导向提供了可能的解决方案。特殊的设计和适当添加剂的组合也应该是重要的，以协同增强电极-电解质界面相的特定应用。
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.2c02529
10. Carbon Energy：通过硫酸水解纤维素制备一种高首效的硬碳材料，用于钠离子电池负极
尽管已经证明多孔、杂原子和缺陷结构提高了Na存储性能，但由于首次循环中巨大的不可逆容量，它们也严重影响了首次库伦效率(ICE)，这一直限制着碳负极在商业钠离子电池(NIBs)中的实际应用。本工作通过硫酸水解纤维素制得的纳米晶纤维素作为前驱体，制备了一种高首效的硬碳材料，用于钠离子电池负极。通过水热碳化和高温热解等处理方式，本工作成功调控了硬碳的孔隙、杂原子和缺陷，最终得到了具有90.4%首周库伦效率和314 mAh g-1可逆容量的碳负极，实现了的高首效和高可逆容量之间的最佳平衡。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/cey2.198
11. ENGINEERING-PRC：钠超离子导体型固体电解质的改性及其在钠离子电池中的应用
固体电解质的低离子电导率及固体电解质与固态电极之间较差的界面可靠性是阻碍固态钠电池（SSSB）应用的两大紧迫挑战。本文采用简单的两步固相法合成了名义成分为Na3+2xZr2‒xMgxSi2PO12 的钠（Na）超离子导体（NASICON）型固体电解质，其中在25℃时Na3.3Zr1.85Mg0.15Si2PO12（x=0.15, NZSP-Mg0.15)表现出了3.54 mS∙cm‒1的最高离子电导率。通过深入研究，本文证实晶界成分在决定NASICON总离子电导率中起着至关重要的作用。此外，由于文献中缺乏关于NASICON是否能够提供足够的负极电化学稳定性来实现高压固态钠电池的研究，本工作首先使用了高压Na3(VOPO4)2F (NVOPF)正极来验证其与优化后的NZSP-Mg0.15固体电解质之间的兼容性。通过比较不同配置（低压正极与高压正极、液态电解质与固体电解质）电池的电化学性能，以及对循环后的NZSP-Mg0.15进行X射线光电子能谱（XPS）评估，结果表明，NASICON固体电解质在高电压下不够稳定，这证明了研究NASICON固体电解质和高压正极之间界面的重要性。此外，通过将NZSP-Mg0.15 NASICON 粉末涂在聚乙烯（PE）隔膜（PE@NASICON）上，形成了2.42 A∙h的碳|PE@NASICON|NaNi2/9Cu1/9Fe1/3Mn1/3O2 非水系钠离子电池，其具有出色的循环性能，在2000周循环后容量保持率为88%，从而证明涂有NASICON型固体电解质的隔膜具有高可靠性。
原文链接：
http://www.engineering.org.cn/ch/10.1016/j.eng.2021.04.028
12. Interdiscip. Mater.：NaSICON——有前景的钠离子固态电解质
近几年全固态电池引起了越来越多的关注，因为全固态电池可以增加能量密度并消除与传统锂离子电池中易燃液体电解质相关的安全风险。固态电解质是全固态电池的核心组成部分，由Goodenough跟Hong在1976年提出的钠超离子导体(NaSICONs)材料，表现出高的离子电导率(>1 mS cm-1)、优异的化学及热力学稳定性、与电极材料之间良好的适配性，成为了广泛研究的无机固体电解质之一。但是目前NaSICON型固态电解质仍存在瓶颈，较大的界面电阻以及电解质与正极材料之间较缓慢的界面电荷传输动力学都限制了NaSICON在高性能固态钠电池上的应用。本工作概述了NASICON型固态电解质材料目前的发展现状，并深入研究了NaSICON材料的结构以及离子输运机制，围绕瓶颈问题，详细阐明了提高NaSICON电解质离子电导率以及提升界面电荷传输动力学的策略以及机理。
原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/idm2.12044
转自：“科研共进社”微信公众号
如有侵权，请联系本站删除！
