人物介绍

黄云辉，华中科技大学教授，博士生导师，校学术委员会副主任，国家杰出青年科学基金获得者，新世纪百千万人才工程国家级人选，国务院政府特殊津贴获得者。分别于1988、1991和2000年在北京大学获得学士、硕士和博士学位，师从高小霞先生和徐光宪先生从事电分析化学和稀土无机化学研究；2002年任复旦大学副教授，期间在日本东京工业大学作为JSPS研究员开展磁电阻功能材料方面的合作研究，2004-2007年在美国德克萨斯大学奥斯汀分校师从John B. Goodenough教授（2019年诺贝尔化学奖得主）从事锂离子电池和固态氧化物燃料电池研究。2008年回国到华中科技大学工作，创建了动力与储能电池实验室，2010-2017年任材料科学与工程学院院长和学术委员会主任。主要研究领域包括锂离子动力与储能电池、下一代锂硫和锂-空气电池、钠离子电池、固体氧化物燃料电池，在Science、Chem. Soc. Rev.、Joule、Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Nat. Commun.等学术期刊上，发表学术论文累计500余篇，其中ESI高被引论文70篇、热点论文12篇，2篇论文入选年度“中国百篇最具影响力的国际论文”，引用4.1万余次，2018-2021年入选科睿唯安材料领域全球高被引科学家和爱思唯尔中国高被引学者，授权或公开专利70余件。锂离子电池正极材料、快充技术、电池健康状态超声检测技术等成果已实现应用。2012年获中国侨界贡献奖（创新人才），2015年获教育部自然科学一等奖、2016年获国家自然科学二等奖，2020年获湖北省自然科学一等奖。

课题组主页：http://sysdoing.mat.hust.edu.cn/index.htm.

3月25日，黄云辉教授团队同时上线三篇关于电池的顶刊文章，包括Advanced Materials, Energy & Environmental Science和Energy Storage Materials.

AM：构建实用的锂离子电池高压正极材料

长期以来，开发高能量密度锂离子电池(LIBs)以满足不断增长的电动汽车市场的需求一直是全球当务之急。提高LIBs能量密度最有效的策略之一是提高输出电压，这在很大程度上取决于正极材料。作为最有前景的高压LIBs正极（> 4 V vs Li/Li⁺），富锂层状氧化物、富镍层状氧化物、尖晶石氧化物和高压聚阴离子化合物四大类正极仍面临的严峻考验是在保持高容量、快速倍率能力和长使用寿命的同时实现输出电压的提高。华中科技大学黄云辉教授、袁利霞教授、许恒辉教授等重点介绍了高压正极材料从实验室到工业化发展的关键环节。首先，阐明了四种材料的失效机理，重点关注了优化策略，特别是易于规模化生产的解决方案。然后，为了弥合实验室和工业之间的差距，还讨论了电池技术的成本管理、安全评估、实际电池性能评估和可持续性。最后，总结了高压正极材料商业化面临的严峻挑战和有希望的策略，以促进高能量密度LIBs的大规模应用。

图1. 采用各种正极和负极组合的LIBs的性能评估

人们普遍认为，LIBs的能量密度需要达到300 Wh kg^-1左右，甚至单电池级需要达到350 Wh kg^-1，才能满足电动汽车、智能电网等领域的需求。现在富镍层状氧化物Li[Ni_1-x-yCo_xMn_y]O₂（充电电压<4.5 V）已经成功商业化，并逐步应用于电动汽车。如果充电电压可以提高到4.5 V或更高，能量密度将进一步提高。与石墨-硅负极配对时，高压LIBs的电池级能量密度可达到350 Wh kg^-1，如果用锂金属替代负极，有望进一步提升至500 Wh kg^-1。然而，高压正极材料的稳定性不如传统正极材料（LiCoO₂、LiFePO₄）。因此，需要深入研究高压正极材料的失效机理，并需要相应的有效优化策略。同时，电池安全性评估和废旧电池回收利用技术也亟待实现，以实现锂离子电池的可持续发展。

图2. 表面涂层策略

目前，高压正极材料的商业化仍面临以下挑战：（1）失效机理分析。高压正极的循环稳定性不如传统正极材料，这主要归因于高压正极材料的降解和正极/电解质界面处电解质的分解。（2）电化学性能的总体评价。据报道，通过表面涂层、元素掺杂和电解质优化等策略可以显著提高高压正极材料的电化学性能。尽管如此，测试参数，如电解液量和面容量负载变化，与行业要求相去甚远。一般来说，报道的面容量在5 C倍率下低于1 mAh cm^-2和5 mA cm^-2，远低于实际LIBs（5 C下，~ 4 mAh cm^-2 和20 mA cm^-2）。此外，电解液的用量应控制在3 g Ah^-1以下，以达到350 Wh kg^-1的高能量密度。此外，值得注意的是，LIBs的运行条件在实际应用中是复杂多变的。（3）优化电池安全标准。为在电动汽车中使用，高压LIBs面临着安全问题，这是最大的问题之一。正极材料和电解液在高压下的稳定性有待大幅度提高。此外，高压电池在机械滥用、电气滥用和热滥用下的热失控机制有待进一步研究。同时，还需要制定相关的电池安全测试标准，如挤压测试、过充测试、短路测试、穿刺测试等。除了工作安全外，电池制造的安全性也应受到更多关注。（4）构建LIBs的闭环循环利用。由于钴、锂、镍等金属资源的稀缺性，如何实现电池的二次生命应用并高效回收废旧电池是实现电池产业可持续发展的关键。

图3. 用于高压LIBs的可持续发展的闭环电池生命周期Building Practical High-voltage Cathode Materials for Lithium-ion Batteries. Advanced Materials 2022. DOI: 10.1002/adma.2022009122

EES：原位监测锂硫电池中硫基正极的应力演变

锂硫(Li-S)电池在下一代储能应用中具有竞争力。然而，可溶性多硫化物会导致严重的穿梭效应和电解液滥用。固体-固体和准固体转换是解决问题的有效方法，但对机理的理解仍然不完整。特别是与电极结构演变密切相关的内应力演变，由于缺乏适当的表征方法而很少被探索。华中科技大学黄云辉教授、李真教授等报告了通过光纤布拉格光栅(FBG)传感器对Li-S电池中正极应力演变的原位监测，系统研究了Li-S电池三种经典机制的应力演化，包括固-液-固、固-固和准固态机制。结果表明，基于硫化聚丙烯腈（PANS）正极材料的固-固机制下的应力演化在速率和幅度上都比其他材料更剧烈，而固-液-固机制下的KB/S正极则经历了最小的力学变化。变化的严重程度不仅与体积变化的程度有关，而且与材料的性质有关。这些结果为评估Li-S电池的机理提供了全新的见解和思考，并从化学机械应力的角度指导了Li-S电池领域的未来工作。固-固和准固相机制虽然在提高电池性能方面优于固-液-固机制，但应考虑潜在的机械应力问题。所提出的方法为理解Li-S电池的化学力学提供了独特的视角，可以扩展到不同的电极材料。

图1. 嵌入FBG的电池示意图和相应的电化学性能

图2. 固-液-固机制的应力与电化学演化的对应关系

图3. 固态机制的应力与电化学演化的对应关系

图4. 准固态机制的应力与电化学演化的对应关系Direct optical fiber monitor on stress evolution of the sulfur-based cathodes for lithium-sulfur batteries. Energy & Environmental Science 2022. DOI: 10.1039/d2ee00007e3

EnSM：低成本气相SiO₂助力贫电解液和无负极锂/硫电池

锂金属负极（LMA）因其高比容量（3860 mAh g^-1）和最低氧化还原电位（与标准氢电极相比为-3.04 V），被广泛认为是下一代二次电池在能量密度方面取得突破的最有希望的负极候选者。然而，树枝状锂的生长阻碍了LMA的应用。华中科技大学黄云辉教授、袁利霞教授等提出了一种气相SiO₂作为电解液添加剂，以实现均匀的Li⁺沉积。由于表面丰富的羟基基团，Li⁺被纳米级SiO₂粒子自发吸收，因此，SiO₂可起到泵的作用，加速电极/电解质界面附近的Li⁺迁移，为Li⁺提供了额外的传输路径，从而产生均匀的Li⁺通量使锂沉积均匀并抑制副反应。此外，作者发现SiO₂也可以自发吸附TFSI-离子，当SiO₂与Li⁺共沉积时，吸附的TFSI-可以化学和电化学还原为LiF，从而促进富含LiF的SEI的形成。因此，无负极Li₂S/Cu电池表现出显著提高的可充电性（首次循环为1055 mAh g^-1；第200次循环为523 mAh g^-1）。此外，即使使用有限的电解液（电解质/硫比，7 µL mg^-1）和 Li（负/正容量比为3），Li/S软包电池在200次循环后仍可保持689 mAh g^-1的高容量。这项工作展示了一种构建高能量密度锂金属电池的简单有效的方法。

图1. SiO₂作用示意图

图2. 电解液中的平衡Li⁺浓度分布及理论计算

图3. SEI表征

图4. 电化学性能Low-cost Fumed Silicon Dioxide Uniform Li+ Flux for Lean-Electrolyte and Anode-free Li/S Battery. Energy Storage Materials 2022. DOI: 10.1016/j.ensm.2022.03.035