中國粉體網訊  吳凡，中科院物理所博導；國科大教授；共青團常州市委副書記；中科固能董事長。入選中科院百人計劃、《麻省理工科技評論》亞太區“35歲以下科創35人”（MIT-TR35-Asia Pacific）、中科協海智計劃特聘專家、江蘇省杰出青年基金。獲全國青年崗位能手（共青團中央）；全國未來儲能技術挑戰賽一等獎（中央軍委）；全國先進儲能技術創新挑戰賽二等獎（國家工信部）；Wiley中國-開放科學年度作者；江蘇青年五四獎章等。任中國能源學會副主任；中國共產黨江蘇省黨代表等。發表SCI論文100余篇，申請中國、美國、國際發明專利60余項。

2024年5月7日，中科固能中央研究院順利啟用，初始建院團隊由吳凡科學家工作室的25位博士后、博士、碩士、工程師組成，下設材料研發、電芯研發、測試分析、科技發展、工程技術5大中心以及3大實驗室。

2024年吳凡團隊固態電池研究成果匯總

1、高離子電導率新型鹵化物固態電解質

中科院物理所吳凡團隊、胡勇勝團隊和中山大學章志珍團隊合作，報導了新型鋰超離子氯化物Li_3−xSc_1−xZr_xCl₆和Li_3−xSc_1−xHf_xCl₆（x=0.25，0.50，0.625，0.75），它們在室溫下表現出高達2.2 mS cm⁻¹的高離子電導率以及低電導率活化能壘（Zr和Hf類比分別為0.31和0.33eV）。Zr⁴⁺/Hf⁴⁺取代后電導率的顯著提高歸因于沿c軸的能壘降低以及由調整的Li⁺/空位濃度引起的相關遷移的增強。固態電池的評估進一步證實了該電解質在高壓ASSB中的應用潛力。工作闡明了調整陽離子/空位濃度的影響，從而增強了相關遷移對陽離子電導率的影響。該策略可以擴展到其他系統，并作為快離子導體設計的指南。

該研究成果以“Superionic Conductivity Invoked by Enhanced Correlation Migration in Lithium Halides Solid Electrolytes”為題，發表在儲能領域著名期刊《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電池

超高鎳層狀氧化物正極（LiNi_xCo_yMn_1-x-yO₂，NCM，x≥0.9）有助于實現高能量密度和高安全性的硫化物全固態電池。然而，由于與硫化物電解質之間界面副反應、空間電荷層（SCL）和元素擴散，難以實現穩定的循環。在此，中國科學院物理研究所、長三角物理研究中心、中科固能、天目湖先進儲能技術研究院吳凡團隊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，大大提高了復合正極的電荷傳輸能力，并抑制了硫化物全固態電池中的界面副反應。由此產生的SC-Ni90-0.2%S/Li₆PS₅Cl/Li₄Ti₅O₁₂全固態電池表現出優異的電化學性能，包括，在1C下500次循環后具有87%的容量保持率，11.44 mAh cm^-2的高面容量，以及優異倍率性能 (20C)。這些振奮人心的結果為ASSB的正極材料設計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計提供了新的思路，可供未來高能量密度硫化物全固態電池參考。

該成果以“High-Capacity, Long-Life sulfide all-solid-state batteries with single-crystal Ni-rich layered oxide cathodes”為題發表在Advanced Functional Materials上，通訊作者為中國科學院物理研究所博士生導師吳凡，第一作者為中國科學技術大學碩士研究生劉歡。

3、低溫全固態電池的材料和化學設計

該成果著重考察了全固態電池的離子傳輸動力學，并強調了它們在低溫環境下所面臨的挑戰。通過研究微觀動力學過程，包括固態電解質內Li離子的遷移、界面電荷轉移和電極擴散，概述了低溫全固態電池在固態電解質、界面和電極方面面臨的關鍵挑戰和特定要求。基于這些見解，回顧了一系列面向高性能低溫全固態電池的材料和化學設計策略。最后，提出了未來改善低溫全固態電池性能的潛在研究方向。旨在提供對全固態電池低溫性能的深入理解和關鍵見解，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-中國科學技術大學聯合培養博士后盧普順，通訊作者為寧波東方理工大學孫學良院士、王長虹助理教授和中國科學院物理研究所吳凡研究員。

4、高離子電導率低能壘界面高性能低溫全固態電池

該成果通過比較低溫性能、電阻-溫度（R-T）關系以及LiNi_0.90Co_0.05Mn_0.05O₂(Ni90)復合正極的界面能壘，揭示了低溫運行所需的正極/固體電解質（SE）界面的關鍵動力學特征。具體地，不穩定的Ni90/硫化物SE界面帶來了不利的正極-電解質界面相（CEI），導致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，可以構建具有高穩定性和低活化能（25.79 kJ mol^-1）的快速離子傳導界面。通過降低界面活化能，離子在界面相和正極/界面相之間的傳導以及電荷轉移不再成為速率限制步驟，從而實現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，理論評估揭示了具有高離子電導率和低能壘的正極/SE界面有助于實現離子快速傳輸穿過界面相和正極與界面之間的界面。這些理解將啟發并推動未來低溫全固態電池的改進工作。

該成果以“Superior Low-Temperature All-Solid-State Battery Enabled by High-Ionic-Conductivity and Low-Energy-Barrier Interface”為題發表在國際知名期刊ACS Nano (IF=18.0)，通訊作者為中國科學院物理研究所吳凡研究員，第一作者為中國科學院物理研究所博士畢業生、寧波東方理工大學博士后盧普順。

5、低溫全固態電池限速機制及分析方法學

中國科學院物理研究所、中科固能吳凡團隊，開發了一套標準測試分析流程，結合電化學阻抗譜和弛豫時間分布，準確識別/揭示了全固態電池構型中主要的速率限制過程/機制。專門研究了半電池/全電池中LiCoO₂（LCO）和硅復合電極的低溫性能，以驗證該測試分析流程對識別速率限制過程的有效性。

具體而言，識別了LCO+硫化物固態電解質復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正極表面的電荷轉移過程。通過插入Li₂ZrO₃（LZO）包覆層減輕界面副反應后，LCO@LZO+硫化物固態電解質復合正極的速率限制過程變為硫化物SE自分解形成的界面相內緩慢的離子傳輸。令人意外的是，通過使用鹵化物固態電解質替換硫化物固態電解質，LCO+鹵化物固態電解質復合正極中的電荷轉移幾乎不受阻礙，其速率限制過程轉變為厚固態電解質隔膜層中的離子傳導，從而使其全固態電池在-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體加速厚固態電解質層中的離子傳導，使用硅復合負極組裝的全固態電池的容量保持率可以從28.9%提高到38.6%（-40℃）。這些全固態電池低溫性能的成功提升主要歸功于對速率限制過程的準確識別和調控。因此，這一測試分析流程是促進全固態電池在低溫環境中實際應用的強大工具。

該成果以“Rate-Limiting Mechanism of All-Solid-State Battery Unravelled by Low-Temperature Test-Analysis Flow”為題發表在國際知名期刊Energy Storage Materials (IF=20.4)，通訊作者為中國科學院物理研究所吳凡研究員，第一作者為寧波東方理工大學（暫名）-中國科學技術大學聯合培養博士后盧普順。

6、混合導電界面層實現高面容量、長循環壽命全固態鋰金屬電池

中國科學院物理研究所、中科固能吳凡團隊，設計了一種由軟碳(SC)-立方相納米(nano) Li6_.4La₃Zr_1.4Ta_0.6O1₂(LLZTO)組成的離子和電子混合導電界面層。SC-nano LLZTO界面層充分結合了SC作為三維宿主材料的優勢，以及立方相nano LLZTO的高離子電導率/擴散系數和對金屬鋰的穩定性。這為鋰的沉積提供了足夠的空間，解決了離子導電的固態電解質/鋰金屬的界面不相容性問題，完全避免了副反應的發生，并成功在界面層內部構建了一個相互連通的三維離子導電網絡，有效促進了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鋰金屬電池在高電流密度/高面容量下的電化學性能。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，并誘導鋰金屬在其三維離子導電網絡上沉積，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，實現更加優異的倍率和循環性能。

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出優異的循環性能(20000次循環，容量保持率為80%)和(4000次循環，容量保持率>98.3%)。此外，界面層還能使全固態鋰金屬電池在高面容量(4.7 mAh cm^-2，相當于34.81 mg cm-2的LZO@LCO質量負載)和高電流密度(4.7 mA cm^-2)條件下，實現較好的長循環性能(350次循環，容量保持率>94.4%)。它還實現了15 mAh cm^-2的超高面容量(相當于111.11 mg cm^-2的LZO@LCO質量負載)。最重要的是，SC-nano LLZTO界面層由低成本的復合材料組成，制備方法簡單易行，易于大規模生產。

該成果以“High-Areal-Capacity and Long-Cycle-Life All-Solid-State Lithium-Metal Battery By Mixed-Conduction Interface Layer”為題發表在國際知名期刊Advanced Energy Materials (IF=29.698)，第一作者為中國科學技術大學碩士生楊明、中科院物理所博士生吳鈺婧，通訊作者為中國科學院物理研究所吳凡研究員。

7、冷凍干燥技術實現全固態電池中的原位正極包覆

全固態電池被認為是下一代儲能器，但其活性材料比例低，陰極界面反應嚴重。為了克服這兩個挑戰，中國科學院物理研究所、中科固能吳凡團隊原位合成了一層快速離子導體Li₃InCl₆，通過冷凍干燥技術在LiCoO₂表面實現均勻涂層，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與LiCoO₂之間的界面降解。所得鋰金屬全固態電池顯示出優異的電化學性能，包括在20C（9.4mA/cm²）下的7000次循環和15mAh/cm²（110mg/cm²）的高負載。ASSB實現了340Wh/kg的能量密度。

該成果以“In-situ Cathode Coating For All-solid-state Batteries By Freeze-Drying Technology ”為題發表在國際知名期刊Nano Energy，第一作者為中國科學技術大學碩士畢業生馬騰歡。

8、軟碳-Si₃N4原位反應構建Li₃N網絡，助力全固態鋰金屬電池

中國科學院物理研究所、中科固能吳凡團隊設計了一種復合軟碳（SC）-Si₃N₄（SiN）夾層（SC-SiN），用于在鋰中嵌入Si₃N₄，促進Li⁺的快速遷移和金屬鋰在夾層內的均勻沉積后，原位形成Li3N網絡（具有高離子傳導性/擴散性）。LCO/LPSCl/SC-SiN-Li ASSLMB實現了超高的電流密度（12.5 mA cm^-2）、面積容量（15 mAh cm^-2）、能量密度（402.5 Wh kg^-1）和超長的循環壽命（22000次），打破了全固態鋰金屬電池的現有記錄。此外，組裝了軟包電池實現高能量密度（>320 Wh kg^-1），證實了這種結構的現實應用潛力，是實現全固態鋰金屬電池商業化的最關鍵突破之一。

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界面層原位相變實現無枝晶全固態金屬鋰電池

中國科學院物理研究所、中科固能吳凡團隊，設計開發了一種兼具離子導電性和電子導電性的軟碳（SC）-Li3N界面層，其原位鋰化反應不僅能將SC鋰化為具有良好電子/離子導電性的LiC6，還成功地將混合相Li₃N轉化為具有高離子導電性/離子擴散系數和鋰金屬穩定性的純相β-Li3N。混合導電界面層有利于Li⁺在界面上的快速傳輸，并誘導金屬鋰在其內部均勻沉積。這有效抑制了鋰枝晶的形成，大大提高了全固態金屬鋰電池的性能。裝配了SC-Li₃N界面層的全固態金屬鋰電池表現出高面容量（15 mAh cm^-2）、高電流密度（7.5 mA cm^-2）和長循環壽命（6000次）。這些結果表明，這種界面層在高能量密度全固態金屬鋰電池的實際應用中具有巨大潛力。

該成果以“Dendrite-Free All-Solid-State Lithium-Metal Battery By In-situ Phase Transformation of Soft Carbon-Li₃N Interface Layer”為題發表在國際知名期刊ACS nano (IF=17.1)，第一作者為中國科學技術大學碩士生楊明，通訊作者為中國科學院物理研究所吳凡研究員。

10、低壓力無枝晶硫化物固態電池

中國科學院物理研究所、中科固能吳凡團隊開發了一種新型室溫液態鋰負極材料鋰-菲-醚類（Li-Phen-Ether）。其相比已報道的聯苯（Bp）和萘（Naph）體系具有更高的安全性和化學穩定性。為了實現更高的比容量和更好的長循環穩定性，進一步研制了3D LiSi@Li-Phen-Ether （3D LSLL）負極，這種復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。得益于充分穩定的負極/SE界面接觸，對稱電池在室溫低壓下實現了高臨界電流密度（> 13mA cm^-2）和長循環壽命（> 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/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）實現超過300次的穩定循環。

該成果以“  Low-pressure Dendrite-free Sulfide Solid-state Battery with 3D LiSi@Li-Phen-Ether Anode”為題發表在Energy Storage Materials上，第一作者為中國科學院物理研究所博士生伍登旭，通訊作者為中國科學院物理研究所吳凡研究員。

11、新型高濕度穩定型硫化物固態電解質

中國科學院物理研究所吳凡團隊聯合李泓、肖睿娟團隊、以及中國科學院新疆理化技術研究所潘世烈團隊結合高通量計算篩選平臺和實驗方法，成功發現了一系列具有新穎晶體結構、優異耐濕性和低鋰離子遷移勢壘的硫屬化物固態電解質家族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，對該系列材料的計算結果進行了驗證。實驗結果表明該類材料展現出了良好的耐濕性，同時表現出較好的鋰離子電導率。進一步計算表明，氯元素摻雜能夠顯著提升該類材料的離子電導率(約三個數量級)，最高室溫離子電導率能夠達到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”為題發表在ACS Energy Letters上，第一作者為北京科技大學毛慧燦博士、中國科學院物理研究所朱祥碩士、中國科學院新疆理化技術研究所李廣卯博士，通訊作者為中國科學院物理研究所吳凡研究員、李泓研究員、肖睿娟副研究員、中國科學院新疆理化技術研究所潘世烈研究員。

參考來源：

IOPLY吳凡科學家工作室、中科固能

（中國粉體網編輯整理/蘇簡）

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