中国粉体网讯 吴凡，中科院物理所博导；国科大教授；共青团常州市委副书记；中科固能董事长。入选中科院百人计划、《麻省理工科技评论》亚太区“35岁以下科创35人”（MIT-TR35-Asia Pacific）、中科协海智计划特聘专家、江苏省杰出青年基金。获全国青年岗位能手（共青团中央）；全国未来储能技术挑战赛一等奖（中央军委）；全国先进储能技术创新挑战赛二等奖（国家工信部）；Wiley中国-开放科学年度作者；江苏青年五四奖章等。任中国能源学会副主任；中国共产党江苏省党代表等。发表SCI论文100余篇，申请中国、美国、国际发明专利60余项。
2024年5月7日，中科固能中央研究院顺利启用，初始建院团队由吴凡科学家工作室的25位博士后、博士、硕士、工程师组成，下设材料研发、电芯研发、测试分析、科技发展、工程技术5大中心以及3大实验室。
2024年吴凡团队固态电池研究成果汇总
1、高离子电导率新型卤化物固态电解质
中科院物理所吴凡团队、胡勇胜团队和中山大学章志珍团队合作，报导了新型锂超离子氯化物Li3−xSc1−xZrxCl6和Li3−xSc1−xHfxCl6（x=0.25，0.50，0.625，0.75），它们在室温下表现出高达2.2 mS cm−1的高离子电导率以及低电导率活化能垒（Zr和Hf类比分别为0.31和0.33eV）。Zr4+/Hf4+取代后电导率的显著提高归因于沿c轴的能垒降低以及由调整的Li+/空位浓度引起的相关迁移的增强。固态电池的评估进一步证实了该电解质在高压ASSB中的应用潜力。工作阐明了调整阳离子/空位浓度的影响，从而增强了相关迁移对阳离子电导率的影响。该策略可以扩展到其他系统，并作为快离子导体设计的指南。
该研究成果以“Superionic Conductivity Invoked by Enhanced Correlation Migration in Lithium Halides Solid Electrolytes”为题，发表在储能领域著名期刊《ACS Energy Letters》上（IF=22）。
2、高容量、长寿命、单晶超高镍三元硫化物全固态电池
超高镍层状氧化物正极（LiNixCoyMn1-x-yO2，NCM，x≥0.9）有助于实现高能量密度和高安全性的硫化物全固态电池。然而，由于与硫化物电解质之间界面副反应、空间电荷层（SCL）和元素扩散，难以实现稳定的循环。在此，中国科学院物理研究所、长三角物理研究中心、中科固能、天目湖先进储能技术研究院吴凡团队与合作者提出了一种直接的固相涂层策略来合成Ni90-S正极，大大提高了复合正极的电荷传输能力，并抑制了硫化物全固态电池中的界面副反应。由此产生的SC-Ni90-0.2%S/Li6PS5Cl/Li4Ti5O12全固态电池表现出优异的电化学性能，包括，在1C下500次循环后具有87%的容量保持率，11.44 mAh cm-2的高面容量，以及优异倍率性能 (20C)。这些振奋人心的结果为ASSB的正极材料设计提供了一种有效的策略。本研究采用的策略为高镍三元正极材料的设计提供了新的思路，可供未来高能量密度硫化物全固态电池参考。
该成果以“High-Capacity, Long-Life sulfide all-solid-state batteries with single-crystal Ni-rich layered oxide cathodes”为题发表在Advanced Functional Materials上，通讯作者为中国科学院物理研究所博士生导师吴凡，第一作者为中国科学技术大学硕士研究生刘欢。
3、低温全固态电池的材料和化学设计
该成果着重考察了全固态电池的离子传输动力学，并强调了它们在低温环境下所面临的挑战。通过研究微观动力学过程，包括固态电解质内Li离子的迁移、界面电荷转移和电极扩散，概述了低温全固态电池在固态电解质、界面和电极方面面临的关键挑战和特定要求。基于这些见解，回顾了一系列面向高性能低温全固态电池的材料和化学设计策略。最后，提出了未来改善低温全固态电池性能的潜在研究方向。旨在提供对全固态电池低温性能的深入理解和关键见解，以便提升其低温性能。
该成果以“Materials and chemistry design for low-temperature all-solid-state batteries”为题发表在国际知名期刊Joule (IF=39.8), https://doi.org /10.1016/j.joule.2024.01.027，第一作者为宁波东方理工大学-中国科学技术大学联合培养博士后卢普顺，通讯作者为宁波东方理工大学孙学良院士、王长虹助理教授和中国科学院物理研究所吴凡研究员。
4、高离子电导率低能垒界面高性能低温全固态电池
该成果通过比较低温性能、电阻-温度（R-T）关系以及LiNi0.90Co0.05Mn0.05O2(Ni90)复合正极的界面能垒，揭示了低温运行所需的正极/固体电解质（SE）界面的关键动力学特征。具体地，不稳定的Ni90/硫化物SE界面带来了不利的正极-电解质界面相（CEI），导致CEI中的锂离子传输缓慢和大的界面电阻。相反地，通过Li2ZrO3包覆层稳定的Ni90/硫化物SE界面的界面活化能可以从60.19降至41.39 kJ mol-1。此外，通过将硫化物SE替换为卤化物SE，可以构建具有高稳定性和低活化能（25.79 kJ mol-1）的快速离子传导界面。通过降低界面活化能，离子在界面相和正极/界面相之间的传导以及电荷转移不再成为速率限制步骤，从而实现Ni90/LIC/LPSC/Li-In ASSB在-30℃下具有出色的容量输出（57.3 mAh g-1）。此外，理论评估揭示了具有高离子电导率和低能垒的正极/SE界面有助于实现离子快速传输穿过界面相和正极与界面之间的界面。这些理解将启发并推动未来低温全固态电池的改进工作。
该成果以“Superior Low-Temperature All-Solid-State Battery Enabled by High-Ionic-Conductivity and Low-Energy-Barrier Interface”为题发表在国际知名期刊ACS Nano (IF=18.0)，通讯作者为中国科学院物理研究所吴凡研究员，第一作者为中国科学院物理研究所博士毕业生、宁波东方理工大学博士后卢普顺。
5、低温全固态电池限速机制及分析方法学
中国科学院物理研究所、中科固能吴凡团队，开发了一套标准测试分析流程，结合电化学阻抗谱和弛豫时间分布，准确识别/揭示了全固态电池构型中主要的速率限制过程/机制。专门研究了半电池/全电池中LiCoO2（LCO）和硅复合电极的低温性能，以验证该测试分析流程对识别速率限制过程的有效性。
具体而言，识别了LCO+硫化物固态电解质复合正极的速率限制过程为不利的界面相中缓慢的离子传输和受损LCO正极表面的电荷转移过程。通过插入Li2ZrO3（LZO）包覆层减轻界面副反应后，LCO@LZO+硫化物固态电解质复合正极的速率限制过程变为硫化物SE自分解形成的界面相内缓慢的离子传输。令人意外的是，通过使用卤化物固态电解质替换硫化物固态电解质，LCO+卤化物固态电解质复合正极中的电荷转移几乎不受阻碍，其速率限制过程转变为厚固态电解质隔膜层中的离子传导，从而使其全固态电池在-40℃下具有高的容量保持率（41.4%）。此外，通过使用低活化能的超离子导体加速厚固态电解质层中的离子传导，使用硅复合负极组装的全固态电池的容量保持率可以从28.9%提高到38.6%（-40℃）。这些全固态电池低温性能的成功提升主要归功于对速率限制过程的准确识别和调控。因此，这一测试分析流程是促进全固态电池在低温环境中实际应用的强大工具。
该成果以“Rate-Limiting Mechanism of All-Solid-State Battery Unravelled by Low-Temperature Test-Analysis Flow”为题发表在国际知名期刊Energy Storage Materials (IF=20.4)，通讯作者为中国科学院物理研究所吴凡研究员，第一作者为宁波东方理工大学（暂名）-中国科学技术大学联合培养博士后卢普顺。
6、混合导电界面层实现高面容量、长循环寿命全固态锂金属电池
中国科学院物理研究所、中科固能吴凡团队，设计了一种由软碳(SC)-立方相纳米(nano) Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12(LLZTO)组成的离子和电子混合导电界面层。SC-nano LLZTO界面层充分结合了SC作为三维宿主材料的优势，以及立方相nano LLZTO的高离子电导率/扩散系数和对金属锂的稳定性。这为锂的沉积提供了足够的空间，解决了离子导电的固态电解质/锂金属的界面不相容性问题，完全避免了副反应的发生，并成功在界面层内部构建了一个相互连通的三维离子导电网络，有效促进了Li+的快速传输，降低了局部电流密度，均匀化了锂离子通量，抑制了锂枝晶的生长，从而显著提高了全固态锂金属电池在高电流密度/高面容量下的电化学性能。nano LLZTO具有更小的粒径和更高的比表面积，能够大大缩短离子的传输距离，加快锂离子在界面处的传输速度，并诱导锂金属在其三维离子导电网络上沉积，有效降低了局部电流密度，均匀化锂离子通量，抑制了锂枝晶的形成/生长，实现更加优异的倍率和循环性能。
采用SC-nano LLZTO界面层的LZO@LCO/LPSCl/SC-nano LLZTO/Li ASSLMBs在6.0 mA cm-2的高电流密度和12.5 mA cm-2的超高电流密度下分别表现出优异的循环性能(20000次循环，容量保持率为80%)和(4000次循环，容量保持率>98.3%)。此外，界面层还能使全固态锂金属电池在高面容量(4.7 mAh cm-2，相当于34.81 mg cm-2的LZO@LCO质量负载)和高电流密度(4.7 mA cm-2)条件下，实现较好的长循环性能(350次循环，容量保持率>94.4%)。它还实现了15 mAh cm-2的超高面容量(相当于111.11 mg cm-2的LZO@LCO质量负载)。最重要的是，SC-nano LLZTO界面层由低成本的复合材料组成，制备方法简单易行，易于大规模生产。
该成果以“High-Areal-Capacity and Long-Cycle-Life All-Solid-State Lithium-Metal Battery By Mixed-Conduction Interface Layer”为题发表在国际知名期刊Advanced Energy Materials (IF=29.698)，第一作者为中国科学技术大学硕士生杨明、中科院物理所博士生吴钰婧，通讯作者为中国科学院物理研究所吴凡研究员。
7、冷冻干燥技术实现全固态电池中的原位正极包覆
全固态电池被认为是下一代储能器，但其活性材料比例低，阴极界面反应严重。为了克服这两个挑战，中国科学院物理研究所、中科固能吴凡团队原位合成了一层快速离子导体Li3InCl6，通过冷冻干燥技术在LiCoO2表面实现均匀涂层，有效提高了活性材料在阴极中的比例/离子传输能力，降低了硫化物固体电解质与LiCoO2之间的界面降解。所得锂金属全固态电池显示出优异的电化学性能，包括在20C（9.4mA/cm2）下的7000次循环和15mAh/cm2（110mg/cm2）的高负载。ASSB实现了340Wh/kg的能量密度。
该成果以“In-situ Cathode Coating For All-solid-state Batteries By Freeze-Drying Technology ”为题发表在国际知名期刊Nano Energy，第一作者为中国科学技术大学硕士毕业生马腾欢。
8、软碳-Si3N4原位反应构建Li3N网络，助力全固态锂金属电池
中国科学院物理研究所、中科固能吴凡团队设计了一种复合软碳（SC）-Si3N4（SiN）夹层（SC-SiN），用于在锂中嵌入Si3N4，促进Li+的快速迁移和金属锂在夹层内的均匀沉积后，原位形成Li3N网络（具有高离子传导性/扩散性）。LCO/LPSCl/SC-SiN-Li ASSLMB实现了超高的电流密度（12.5 mA cm-2）、面积容量（15 mAh cm-2）、能量密度（402.5 Wh kg-1）和超长的循环寿命（22000次），打破了全固态锂金属电池的现有记录。此外，组装了软包电池实现高能量密度（>320 Wh kg-1），证实了这种结构的现实应用潜力，是实现全固态锂金属电池商业化的最关键突破之一。
该成果以“In-situ formed Li3N networks by soft carbon-Si3N4 for superior all-solid-state lithium-metal batteries”为题发表于Advanced Energy Materials (IF=27.8)，第一作者为物理所博士后王志轩。
9、软碳-Li3N界面层原位相变实现无枝晶全固态金属锂电池
中国科学院物理研究所、中科固能吴凡团队，设计开发了一种兼具离子导电性和电子导电性的软碳（SC）-Li3N界面层，其原位锂化反应不仅能将SC锂化为具有良好电子/离子导电性的LiC6，还成功地将混合相Li3N转化为具有高离子导电性/离子扩散系数和锂金属稳定性的纯相β-Li3N。混合导电界面层有利于Li+在界面上的快速传输，并诱导金属锂在其内部均匀沉积。这有效抑制了锂枝晶的形成，大大提高了全固态金属锂电池的性能。装配了SC-Li3N界面层的全固态金属锂电池表现出高面容量（15 mAh cm-2）、高电流密度（7.5 mA cm-2）和长循环寿命（6000次）。这些结果表明，这种界面层在高能量密度全固态金属锂电池的实际应用中具有巨大潜力。
该成果以“Dendrite-Free All-Solid-State Lithium-Metal Battery By In-situ Phase Transformation of Soft Carbon-Li3N Interface Layer”为题发表在国际知名期刊ACS nano (IF=17.1)，第一作者为中国科学技术大学硕士生杨明，通讯作者为中国科学院物理研究所吴凡研究员。
10、低压力无枝晶硫化物固态电池
中国科学院物理研究所、中科固能吴凡团队开发了一种新型室温液态锂负极材料锂-菲-醚类（Li-Phen-Ether）。其相比已报道的联苯（Bp）和萘（Naph）体系具有更高的安全性和化学稳定性。为了实现更高的比容量和更好的长循环稳定性，进一步研制了3D LiSi@Li-Phen-Ether （3D LSLL）负极，这种复合阳极比纯锂和锂硅合金更安全。在3D LSLL中，亲锂的Li-Phen-Ether充分浸润LiSi合金粉末并形成3D Li+/e-快速迁移路径。得益于充分稳定的负极/SE界面接触，对称电池在室温低压下实现了高临界电流密度（> 13mA cm-2）和长循环寿命（> 1000 h，0.25mA cm-2）。此外在正极界面处引入DOL原位聚合的凝胶界面层，组装的LFP/硫化物电解质/3D LSLL全电池可以在极低的外部压力（0.5MPa）和室温下以高倍率（2C）实现超过300次的稳定循环。
该成果以“ Low-pressure Dendrite-free Sulfide Solid-state Battery with 3D LiSi@Li-Phen-Ether Anode”为题发表在Energy Storage Materials上，第一作者为中国科学院物理研究所博士生伍登旭，通讯作者为中国科学院物理研究所吴凡研究员。
11、新型高湿度稳定型硫化物固态电解质
中国科学院物理研究所吴凡团队联合李泓、肖睿娟团队、以及中国科学院新疆理化技术研究所潘世烈团队结合高通量计算筛选平台和实验方法，成功发现了一系列具有新颖晶体结构、优异耐湿性和低锂离子迁移势垒的硫属化物固态电解质家族Li2BMQ4（B = Ca、Sr和Ba；M = Si、Ge和Sn；Q = O、S和Se，I空间群）。文章以Li2BaSnS4和Li2SrSiS4母体材料为例，对该系列材料的计算结果进行了验证。实验结果表明该类材料展现出了良好的耐湿性，同时表现出较好的锂离子电导率。进一步计算表明，氯元素掺杂能够显著提升该类材料的离子电导率(约三个数量级)，最高室温离子电导率能够达到0.72mS/cm。
该成果以“Moisture-stable chalcogenide solid electrolytes in Li2BMQ4（B = Ca, Sr and Ba；M = Si, Ge and Sn；Q = O, S and Se）systems”为题发表在ACS Energy Letters上，第一作者为北京科技大学毛慧灿博士、中国科学院物理研究所朱祥硕士、中国科学院新疆理化技术研究所李广卯博士，通讯作者为中国科学院物理研究所吴凡研究员、李泓研究员、肖睿娟副研究员、中国科学院新疆理化技术研究所潘世烈研究员。
参考来源：
IOPLY吴凡科学家工作室、中科固能
（中国粉体网编辑整理/苏简）
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