9篇Angew，4篇AM，Joule、JACS、Chem…全球高被引科学家清华张强教授2022年成果精选！

张强，清华大学长聘教授、博士生导师。2000年进入清华大学进行本科及研究生学习，2009年获博士学位后先后赴美国凯斯西储大学、德国马普协会弗里茨—哈伯（Fritz Haber）研究所开展博士后研究工作，2011年9月回国加入清华大学从事教学科研工作至今。张老师长期从事能源化学与能源材料的研究，近年来，致力于将国家重大需求与基础研究相结合，面向能源存储和利用的重大需求，重点研究锂硫电池、锂金属电池、固态电池的原理和关键能源材料。张老师提出了锂硫电池中的锂键化学、离子溶剂配合物概念，并根据高能电池需求，研制出复合金属锂负极、碳硫复合正极等多种高性能能源材料，构筑了锂硫软包电池器件。

此外，张强教授还培养了一批优秀的研究生，其中，程新兵，彭翃杰，唐城，张学强，陈翔等获得清华大学学术新秀；李博权，张学强，元喆，王瀚森，钟玲，赵长欣等获得清华大学特等奖学金；陈筱薷，赵长欣等获得全国挑战杯特等奖。

张老师主页：https://www.chemeng.tsinghua.edu.cn/info/1168/2609.htm

下面我们汇总了张强教授2022年的部分研究成果，分享给大家！

Angew：解锁锂离子电池极速充电的电荷转移限制

高能锂离子电池的极速快充（XFC）是电气化交通的一个关键推动因素。虽然以前的研究主要集中在改善锂离子在电极和电解质中的传质，但对跨越电极-电解质界面的电荷转移的限制仍然没有得到充分的探索。

清华大学张强教授、北京理工大学闫崇副教授等表明电极-电解质界面的电荷转移可以限制速度，甚至对于厚电极（>3 mAh cm-2）也是如此。即使电解质的离子电导率下降40%，提高电荷转移动力学也能使XFC的性能更好。其中，正极-电解质界面的电荷转移是XFC过程中的速率限制，通过用LiTFSI代替LiPF₆，可以加速电荷转移。负极-电解质界面的电荷转移是控制锂沉积的关键因素，而基于FEC的电解液具有快速脱溶动力学的特点，可以促进这种转移。更重要的是，必须为这两个反应的动力学保持平衡。这种平衡质是在XFC期间从正极输出的快速锂离子和输入到负极的快速锂离子之间的平衡，而这两个过程的不匹配可能导致灾难性的析锂和短循环寿命。基于这些见解，作者设计了一种概念验证电解液，它可实现184 Wh kg^-1的XFC（10分钟充电至80%）软包电池在500次循环后仅损失5.2%的能量密度，远远超过USDOE的目标。目前的工作为开发充电时间缩短的下一代电池铺平了一条新的道路。

Unlocking Charge Transfer Limitations for Extreme Fast Charging of Li-Ion Batteries. Angewandte Chemie International Edition 2022. DOI: 10.1002/anie.202214828

Angew：锂硫电池中硫还原反应的电催化模型

锂硫（Li-S）电池由于其高理论能量密度和低成本而被强烈认为是最有前景的储能系统之一。然而，放电过程中从Li₂S₄到Li₂S的缓慢还原动力学阻碍了Li-S电池的实际应用。尽管已经提出了各种电催化剂来改善反应动力学，但由于硫还原反应（SRR）的复杂性，电催化机制还不清楚。彻底了解电催化机制对于设计先进的电催化剂至关重要。

清华大学张强教授、陈翔博士等以杂原子掺杂的碳材料为例，基于系统的密度泛函理论计算，构建了电催化模型，揭示了Li-S电池中SRR的化学机制。具体而言，作者将LiSy⋅（y=1，2或3）自由基的吸附能作为关键描述符来预测反应途径、决定速率的步骤和过电位，并相应地构建了一个设计先进电催化剂的图谱。总体而言，这项工作建立了一个理论模型，它是探究复杂的SRR机制和设计高性能Li-S电池先进电催化剂的一个智能集成。

An Electrocatalytic Model of the Sulfur Reduction Reaction in Lithium–Sulfur Batteries. Angewandte Chemie International Edition 2022. DOI: 10.1002/anie.202211448

Angew：阴离子化学在调节锂金属电池电解液还原稳定性方面的关键作用

先进的电解液设计对于构建高能量密度的锂电池至关重要，而将阴离子引入Li⁺溶剂化鞘已被广泛证明是一种有前景的策略。然而，对阴离子在这种电解液中的关键作用的基本理解十分缺乏。

清华大学张强教授、陈翔博士等通过结合计算和实验方法，对调节电解液结构和稳定性的阴离子化学进行了研究。根据最低未占分子轨道（LUMO）的分析，只要阴离子参与Li⁺的溶剂化鞘，阴离子和溶剂就会分别表现出降低和提高还原稳定性。此外，在单电子还原反应中，与溶剂相比，阴离子优先接受电子，这导致了阴离子还原电位的上升。计算结果通过线性扫荡伏安法（LSV）测试得到进一步验证，在Li⁺溶剂化中的阴离子比自由阴离子表现出更高的还原电位。由于阴离子的有利分解，相应地形成了富含LiF的SEI，提供了有效的Li剥离/沉积。这项工作揭开了阴离子化学在调节电解液结构-功能关系方面的神秘面纱，有助于合理设计实用锂金属电池的先进电解液。

The Anionic Chemistry in Regulating the Reductive Stability of Electrolytes for Lithium Metal Batteries. Angewandte Chemie International Edition 2022. DOI: 10.1002/anie.202210859

AM：驯服溶剂-溶质相互作用加速低温锂金属电池的界面动力学

锂金属电池的能量密度超过400Wh kg^-1，而它们在低于-30℃的极端温度下的实际运行会遭受严重的容量衰退。这种电池失效与界面过程的动力学障碍明显增加有很大关系，包括界面脱溶剂化、离子运输和电荷转移。

清华大学张强教授、北京理工大学张学强助理教授等通过三电极电化学技术和分子动力学模拟，对三种原型电解液的界面动力学进行了定量探测。结果显示，脱溶剂化过程是对Li⁺运输和界面反应的动力学障碍的主要贡献者。此外，作者建议通过溶剂-溶质相互作用的调节来合理设计电解液，以加速低温脱溶动力学。在此，作者研究制定了三种醚基电解液，即基于1,3-二氧戊环（DOL）、基于1,2-二甲氧基乙烷（DME）和基于DOL/DME（1/1，体积）的电解液，原因在于它们与金属锂具有良好的兼容性，并且熔点低于-30℃。值得注意的是，基于DOL的电解液使-40℃的实用Li|LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂（NCM523）电池保持了66%的室温容量。

此外，作者设计了三电极电化学测试、低温电子显微镜表征和分子动力学（MD）模拟，以分离和量化体相电解液的物理化学特性和界面过程对电池性能的贡献。作为界面动力学障碍的主要来源，缓慢的脱溶剂作用被验证为主导了电池容量的下降和低温下界面阻抗的扩大。此外，通过测量脱溶屏障和分析每种电解液中溶剂和溶质的相互作用，作者得出了脱溶和溶剂-溶质相互作用之间的相关性。该工作的结果显示，通过采用低亲和力的溶剂来调节溶剂-溶质的相互作用，有利于工作电池的快速解溶，并可成为在超低温下运行的电池系统的一个有前景的解决方案。

Taming Solvent–Solute Interaction Accelerates Interfacial Kinetics in Low-Temperature Lithium-Metal Batteries. Advanced Materials 2022. DOI: 10.1002/adma.202208340

锂金属对电解质的高反应性造成的严重安全风险明显阻碍了锂金属电池的实用性。清华大学张强教授、北京理工大学黄佳琦教授、东南大学程新兵教授等通过二氟乙酸甲酯（MFA）的原位聚合，在其独特的分子结构和双氟原子的帮助下，在锂金属负极上原位构建了一个富含聚合物的SEI。由于其独特的分子结构和双氟原子，在室温和高温下的锂枝晶生长和锂与电解质之间的副反应都明显减少。研究显示，与常规电池相比，所提出的SEI的优异热性能直接将1.0Ah Li-LiNi_0.5Co_0.2Mn_0.3O₂（NCM523）软包电池的热安全临界温度从143.2℃提高到174.2℃，热失控温度从240.0℃提高到338.0℃。

此外，氟化试剂被广泛认为是通过增加LiF含量来改善SEI的电化学稳定性。随后的X射线光电子能谱（XPS）深度测试显示，富含LiF的SEI在锂金属的近表面生成。它的柔韧性也在抑制锂枝晶的生长和改善锂金属负极的界面循环稳定性方面发挥了关键作用，促进了高容量保持率（65次循环后为92.93%）。总体而言，该论文提出了高温和室温循环过程中对锂金属负极的保护策略，有望促进锂金属电池的实际应用。

Thermally Stable Polymer-Rich Solid Electrolyte Interphase for Safe Lithium Metal Pouch Cells. Angewandte Chemie International Edition 2022. DOI: 10.1002/anie.202214545

AM：无EC电解液实现-50℃软包锂离子电池

低温对目前锂离子电池（LIBs）的运行提出了重大挑战，因为它会导致低容量保持和糟糕的电池充电性。商用LIBs中的电解液过于依赖碳酸乙烯酯（EC），以在石墨（Gr）负极上产生稳定的固体电解质界面（SEI），但其高熔点（36.4℃）严重限制了0℃以下的离子传输，从而导致能量损失和析锂。

清华大学张强教授等报告了一类由乙酸甲酯（MA）、氟化醚（FE）和双（氟磺酰）亚胺锂（LiFSI）盐组成的不含EC的电解液，它在不影响电池寿命的情况下表现出显著的低温性能。研究发现，在零度以下的温度，EC会形成高阻抗的SEI，严重阻碍了电极动力学，而无EC的电解液通过阴离子分解可形成高度稳定、低阻抗的SEI，从而提高容量保持率，并消除充电过程中的锂沉积。结果采用无EC电解液的软包钴酸锂(LCO)|Gr电池在25℃下持续了900次循环（1C），而LiNi_0.85Co_0.10Al_0.05O₂(NCA)|Gr电池在-15℃下持续了300次循环（0.3C），两者在可比条件下是文献中表现最好的。此外，即使在零下50摄氏度，采用无EC电解液的NCA|Gr电池仍能提供76%的室温容量，超过了基于EC的电解液。这项研究显示，与传统的基于EC的电解液相比，无EC电解液在低温LIB方面可以表现出全面的性能优势。

Ethylene-Carbonate-Free Electrolytes for Rechargeable Li-Ion Pouch Cells at Sub-Freezing Temperatures. Advanced Materials 2022. DOI: 10.1002/adma.202206448

AM：削弱封装多硫化物的溶剂的溶剂化能力实现长寿命锂硫电池

长循环寿命是实用锂硫电池的先决条件，但却受到可溶性多硫化物和锂金属负极之间副反应的限制。对多硫化物溶剂化结构的调节使得封装多硫化物电解液（EPSE）成为抑制寄生反应的一个有希望的解决方案。其中，多硫化锂外部溶剂化壳中溶剂的溶剂化能力对于EPSE的封装效果至关重要。

清华大学张强教授、北京理工大学张学强助理教授等证明1,1,2,2-四氟乙基-2,2,3,3-四氟丙基醚（HFE）是构建EPSE的一种优越的外壳溶剂。基于氟烃链的巨大的立体阻碍，吸电子的全氟段（-CF₂-）进一步赋予了HFE突出的弱溶剂能力，HFE只分布在LiPSs周围的外部溶剂壳中，几乎不改变LiPSs的内部溶剂壳。结果，HFE-EPSE将采用超薄锂金属负极（50µm）和高面负载硫正极（4.4 mg cm⁻²）的锂硫电池的寿命从54次提高到135次。此外，基于HFE-EPSE的334 Wh kg^-1锂硫软包电池（2.4 Ah）稳定地经历了25个循环。总体而言，这项工作证明了外壳溶剂的弱化溶剂化力对构建卓越的EPSE的作用，并将激发多硫化物的溶剂化化学对实现实用锂硫电池的意义。

Weakening the Solvating Power of Solvents to Encapsulate Lithium Polysulfides Enables Long-Cycling Lithium–Sulfur Batteries. Advanced Materials 2022. DOI: 10.1002/adma.202205284

Chem：首次证实锂硫电池中的阳离子多硫化锂

多硫化锂（LiPSs）是参与锂硫（Li-S）电池每一个工作电化学过程的重要中间体。揭示LiPSs在电解液中的存在形式对于理解反应机理和合理设计高性能Li-S电池至关重要。

清华大学张强教授、北京理工大学李博权副研究员等开创性地证明LiPSs在电解液中是弱解离的，但表现出结合额外锂离子并形成阳离子LiPSs（例如Li₃S₆⁺）的强烈倾向。动力学评价进一步表明，阳离子LiPSs在正极反应中更缓慢，而在与锂金属负极反应时更具侵略性。因此，降低盐浓度被证明可以抑制阳离子LiPSs的形成，并被证明可以有效提高具有高能量密度的实用Li-S软包电池的性能。这项工作揭示了电解液中阳离子LiPSs的存在，并为改善Li-S电池的电化学性能提供了方向性指导。

Cationic lithium polysulfides in lithium–sulfur batteries. Chem 2022. DOI: 10.1016/j.chempr.2022.07.004

Angew：通过动态电容实时量化锂离子电池工作时的析锂

先进锂离子电池(LIBs)的全部性能被神秘的析锂行为所阻挡。一种与实际工作条件相适应的快速量化析锂的测定方法对于安全工作的LIBs来说是迫切需要的。

清华大学张强教授、北京理工大学黄佳琦教授等首次报告了一种可应用于工作电池的实时测定方法，并可定量检测析锂。通过结合电化学活性表面积（ECSA）和负极电双层（EDL）电容之间的强关联性，作者提出了一个产生析锂的机制。与析锂有关的难以捉摸的信号可以通过ECSA和EDL之间的相关性得到加强。石墨负极表面的EDL的电容值被用作充电过程中析锂的定量指标。此外，作者证明，石墨负极在动态条件下的电容变化可以通过单频动态电化学阻抗谱（DEIS）测试实时监测。电容的上升趋势表明析锂的开始。基于等效电路分析，作者提出，具有特征频率的动态电容测量（DCM）可以在全电池电容图中明确指示石墨负极的电容变化。由于单频DEIS的可及性和快速的数据生成，所提出的机制是析锂检测的一个突破，它将进一步为电池安全预警提供了一个基于电容的有效析锂测定方法。

Operando Quantified Lithium Plating Determination Enabled by Dynamic Capacitance Measurement in Working Li-Ion Batteries. Angewandte Chemie International Edition 2022. DOI: 10.1002/anie.202210365

Joule：量化无负极电池中电解液分解反应的表观电子转移数

固体电解质界面相（SEI）在决定非水电池负极的稳定性方面起着关键作用。然而，作为构建稳定SEI不可或缺的一环，电解液的分解机制却鲜有定量的了解。

清华大学张强教授、北京理工大学张学强助理教授等通过简单但精确的定量核磁共振(qNMR)方法获得了定量描述电解液组分分解机理的表观电子转移数（ETN），该方法以”一站式”的方式可同时测量电解液演化和累积的非活性Li⁰。作为一个定量描述符， ETN是在基于双氟磺酰亚胺锂（LiFSI）-碳酸二甲酯（DMC）的局部高浓度电解液工作的锂金属电池中获得的。通过电解液定量核磁共振（ely-qNMR）和滴定-qNMR分别对电解液的演化和同时积累的非活性锂进行精确测量，不同电解液成分的分解率和决定电解液命运的ETNs都可以以 “一站式 “的方式获得。ETNs的识别为电解液分解机制提供了开创性的见解，并为电解液设计提供了新的愿景，以促进非水充电电池的不断发展。

Quantifying the apparent electron transfer number of electrolyte decomposition reactions in anode-free batteries. Joule 2022. DOI: 10.1016/j.joule.2022.07.003

JACS：调节锂盐抑制锂硫电池中电催化剂的表面凝胶化

锂硫（Li-S）电池作为高能量密度的储能设备具有巨大的潜力。电催化剂被广泛采用，以加速硫正极的氧化还原动力学。电催化剂、溶剂和锂盐之间的相互作用极大地决定了Li-S电池的实际工作性能。

清华大学张强教授、北京理工大学李博权特别副研究员等发现双三氟甲磺酰亚胺锂（LiTFSI）会加剧MoS₂电催化剂的表面凝胶化。详细来说，LiTFSI中的三氟甲磺酰基与MoS₂电催化剂上的路易斯酸性位点相互作用，产生一个电子缺陷中心，具有高路易斯酸度的电子缺陷中心会引1,3-二氧戊环溶剂的阳离子聚合，并产生一个表面凝胶层，从而降低电催化活性。为解决上述问题，作者引入了路易斯碱盐碘化锂（LiI）来阻断LiTFSI和MoS₂之间的相互作用并抑制表面凝胶化。因此，采用MoS₂电催化剂和LiI添加剂的Li-S电池在软包电池水平上实现了416 W h kg^-1的超高实际能量密度。这项工作提供了一种有效的锂盐来提高Li-S电池的电催化活性，并加深了对储能系统中电催化剂、溶剂和盐之间相互作用的基本理解。

Regulating Lithium Salt to Inhibit Surface Gelation on an Electrocatalyst for High-Energy-Density Lithium–Sulfur Batteries. Journal of the American Chemical Society 2022. DOI: 10.1021/jacs.2c04176

Angew：可在80℃下工作的锌-空气电池

水系锌-空气电池具有固有的安全性，面对高温工作条件时尤其值得称赞。然而，它们在高温下的工作可行性却很少被研究。

清华大学张强教授、北京理工大学李博权特别副研究员等系统地研究了高温锌-空气电池的工作可行性。其中，温度对空气正极、锌负极和水系电解液的影响被解耦，以确定有利的和不利的因素。具体来说，在高温条件下，电解液导电性、正负极动力学和负极反钝化都得到了优化，而源于强化析氢反应的负极法拉第效率下降则成为主要瓶颈，这为未来高温性能的提升指明了研究方向。基于此，作者演示了在80℃下工作的锌-空气电池，充分体现了锌-空气电池满足安全高温储能的可行性。总体而言，这项工作揭示了锌-空气电池在高温下满足储能的潜力，并将指导先进电池向恶劣工作条件的进一步发展。

Working Zinc–Air Batteries at 80 °C. Angewandte Chemie International Edition 2022. DOI: 10.1002/anie.202208042

Angew：通过合理的分子设计使SEI氟化助力实用锂金属电池

实用锂金属电池的寿命因锂金属负极的不稳定性而受到严重阻碍。含氟固体电解质界面相（SEI）成为改善锂金属负极稳定性的一个有希望的策略。其中，氟化分子的合理设计是构建氟化SEI的关键。

清华大学张强教授、北京理工大学张学强助理教授等提出了氟化分子的设计原则。具体而言，作者合理地设计和合成了一个活化的氟烷基分子（AFA），即2,2,3,3-四氟丁烷-1,4-二醇二硝酸酯，以构建氟化SEI。首先，氟烷基（-CF₂CF₂-）作为富集的F储库，以生成LiF。其次，C-F键的脱氟作用因β-位点上的留基而明显增强，有利于LiF形成反应的快速动力学。最后，从AFA中实现了快速和充分的氟化物释放，这有助于在关键系统中实现卓越的电池性能。基于此，通过在电解液中添加5 v%的小剂量AFA实现了Li-S电池中的氟化SEI，并实现了均匀的锂沉积/剥离。此外，在苛刻条件下的Li-S电池，包括高面负载正极（4.0 mgS cm^-2）和有限的锂负极（50 μm），可实现183次循环，这是采用常用添加剂LiNO₃的3倍。此外，360 Wh kg^-1的Li-S软包电池（基于软包电池中所有部件的质量）可提供25次循环。

Fluorinating the Solid Electrolyte Interphase by Rational Molecular Design for Practical Lithium-Metal Batteries. Angewandte Chemie International Edition 2022. DOI: 10.1002/anie.202204776

Angew：原始混合导电界面为工作电池提供有效的预锂化

接触式预锂化是补偿锂离子电池初始容量损失的一个重要策略。然而，由于锂转化不充分而产生的死锂降低了可充电池的循环稳定性。

清华大学张强教授等首次将单溶剂碳酸二甲酯（DMC）电解液用于接触预锂化。研究发现，这种电解液在锂源和负极上诱发的低有机物含量的原始电解质界面（REI）是一种混合离子/电子导体。因此，即使在锂源被DMC衍生的REI完全包裹的情况下，电子通道仍然可以保持。结果，可以实现92.8%的优秀锂利用率和可忽略不计的死锂产量。此外，这种策略使电池具有非常高的初始库仑效率（90.0 %）和210次循环的优异容量保持率（94.9 %），突出了REI对于有效接触预锂化的重要性。

The Raw Mixed Conducting Interphase Affords Effective Prelithiation in Working Batteries. Angewandte Chemie International Edition 2022. DOI: 10.1002/anie.202205697

Angew：硝酸盐离子的修饰使锂金属电池中的SEI变得稳定

高能量密度的锂金属电池（LMBs）的寿命受到异质固体电解质界面相（SEI）的阻碍。为了在工作的电池中获得均匀的SEI，合理的电解液设计被大力考虑。

清华大学张强教授、北京理工大学张学强助理教授等提出并验证了硝酸盐离子（NO₃-）的改性，以改善实用LMB中SEI的均匀性。其中，NO₃-与一个基于醚的分子相连，形成二硝酸异山梨酯（ISDN），以打破NO₃-的共振结构，从而提高还原性。因此，ISDN中非共振-NO₃的分解使SEI富含丰富的LiN_xO_y，并诱导均匀的锂沉积。结果，使用ISDN添加剂的锂硫电池在100次循环后可提供83.7%的容量保持率，而使用LiNO₃的电池在55次循环后会出现快速衰减。此外，使用ISDN添加剂的锂硫软包电池提供了319 Wh kg^-1的比能量，并经历了20次循环。这项工作为设计改善SEI的添加剂以稳定LMB提供了现实的参考。

Modification of Nitrate Ion Enables Stable Solid Electrolyte Interphase in Lithium Metal Batteries. Angewandte Chemie International Edition 2022. DOI: 10.1002/anie.202201406

AM：畅通的电子通道使锂离子电池的高效接触预锂化成为可能

接触预锂化被强烈认为可补偿锂离子电池的初始容量损失，从而在工作电池的超长循环寿命和大规模储能系统的应用方面表现出巨大的潜力。然而，接触预锂化的牺牲锂源的利用率很低（<65%）。

清华大学张强教授、北京理工大学闫崇副教授等从锂源/负极界面的角度，通过调节初始接触状态，描述了接触预锂化的基本机制，并成功地阐明了容量衰减的病因。具体来说，创建丰富的电子通道是使接触预锂化具有更高的锂利用率的途径，因为减轻的局部电流密度减少了锂溶解的蚀刻和电子通道上的SEI扩展。作为演示，真空热蒸发沉积锂膜使接触界面拥有足够的电子通道结构，从而使锂的利用率达到91.0%，并降低了死锂的产量。

Unblocked Electron Channels Enable Efficient Contact Prelithiation for Lithium-Ion Batteries. Advanced Materials 2022. DOI: 10.1002/adma.202110337

Chem：一种用于实用锂硫电池的封装多硫化物电解液

实用的锂硫电池由于锂金属负极和可溶性多硫化锂（LiPSs）中间物之间的寄生反应而受到严重阻碍。LiPSs的溶剂化结构在决定反应动力学方面起着关键作用。

清华大学张强教授、北京理工大学张学强助理教授等提出了一种封装型LiPSs电解液（EPSE），以抑制基于LiPSs的纳米异质溶剂化结构设计的寄生反应。在EPSE中，以二异丙基硫醚（DIPS）为辅助溶剂，可溶性LiPSs被封装在两个具有不同溶剂化能力和还原稳定性的同心溶剂壳中。外层溶剂壳中具有还原稳定性的DIPS显著抑制了封装的LiPSs和金属锂之间的寄生反应。结果，在苛刻的条件下，一个1.2 Ah的软包电池在EPSE中经历了103次循环。总体而言，这项工作提供了构建EPSE的两个关键标准，即外溶剂壳中溶剂应具有差溶剂化能力和高还原稳定性，它为调节LiPSs的溶剂化结构，实现长循环锂硫电池开辟了新的领域。

An encapsulating lithium-polysulfide electrolyte for practical lithium–sulfur batteries. Chem 2022. DOI: 10.1016/j.chempr.2021.12.023