孟颖（Ying Shirley Meng）教授供职于加州大学圣地亚哥分校，她是能源技术扎布尔讲座教授及材料科学与纳米工程教授、能源存储与转换实验室（LESC）首席研究员。于2005年取得新加坡-麻省理工联合培养微纳米系统博士学位，随后在麻省理工学院进行博士后工作并担任研究科学家。曾荣获国际电池协会电池研究奖（2019年）、美国化学学会应用材料与界面青年研究者奖（2018年）、IUMRS新加坡青年科学家研究奖（2017年）、电化学学会C. W. Tobias青年研究者奖（2016）和NSF CAREER奖（2011）等。她是世界上在能源存储和转换纳米材料领域的顶尖专家之一，致力于推动能源向高效和可持续的能源存储技术过渡。这两个月，孟教授的成果频繁登上顶刊，发表了一篇Science，两篇Nature Energy！一起来看一下吧！一、全固态纯硅负极2021年9月24日，加州大学圣地亚哥分校孟颖教授和陈政教授在Science发表重磅成果，Carbon-free high-loading silicon anodes enabled by sulfide solid electrolytes，利用硫化物固体电解质（SSE）实现了稳定的无碳高负载硅阳极。在本工作中，μSi||SSE|NCM811电池中使用了由99.9 wt % μSi组成的μSi电极，以克服μSi的界面稳定性挑战和全固态电池（ASSBs）当前的密度限制。在5 mA cm-2下，对μSi-NCM811全电池进行循环后发现，在500次循环后可以提供80%的容量保留，这表明ASSBs使用的μSi的整体耐用性。锂电Science，全固态电池再突破！二、堆叠压力的大作用2021年10月18日，孟颖教授、Chengcheng Fang和爱达荷国家实验室Boryann Liaw等人在Nature Energy上发表文章，对使用液态电解质的锂金属电池的堆叠压力进行了定量研究，揭示了这一长期被人忽略的参数对锂金属沉积和剥离行为的影响。在350 kPa下，作者获得了具有理想柱状形貌和最小表面积的超致密Li沉积(99.49%的电极密度)，并使其在循环过程中具有高度可逆的非活性Li形成，在室温下快速充电(4mA cm-2)实现了>99%的库仑效率。孟颖Nature Energy：电池这个参数至关重要，别忽略！三、如何实现锂金属库仑效率>99.9%就在最近，2021年10月20日，孟颖教授联合MIT邵阳教授和Gallant教授在Nature Energy再度发表综述文章，这个综述回顾了锂金属电池电解液的发展，并对未来如何实现库仑效率大于99.9%的锂负极提出了展望。接下来，我们对这篇文章进行解读。经过几十年的发展，锂金属仍然不能用作商用可充电电池的阳极。理论上，锂金属电池能量密度（约2000Wh l-1，与金属氧化物阴极匹配）满足未来电动汽车的目标（>750Wh l-1）。然而，对可逆性的极致要求，要求库仑效率（CE）超过99.95%，甚至超过99.99%，才能在1000个周期内保持80-90%的容量，但这是一个尚未实现的目标。CE的定义是可以从负极上电化学剥离的锂的量与之前电镀的锂的量之比。在液体电解质中，Li可逆性的限制以及CE的限制是由于电解质在Li电位下的热力学不稳定性造成的。到目前为止，还没有电解质能够使CE以超过99.9%的CE循环1000次。但是，回顾历史，Li的CE一直是在提高的，有两个原则指导了电解质设计：第一，抑制锂上不利的溶剂还原（例如，使用醚而不是碳酸酯）；第二，选择性地促进某些涉及溶剂和/或盐的反应，以达到被认为有利于锂可逆性的特定SEI相。因此，许多有前途的系统比以往任何时候都更接近99.9%CE的目标，甚至近年来在部分循环中突破了99.9%。
锂金属电池电解液的发展史
图1. 历史上锂金属电池中的电解液的改善策略图1回顾了锂金属电池电解液的发展史，电解液的发展大致经历了这么几个阶段：1、碳酸酯基电解液。1974年，1 M LiClO4/碳酸丙烯酯（PC），CE达到约80%。随后可以使用添加剂实现适度改进（CE = 83.6%，1977年），但碳酸酯溶剂因其强极性碳氧键和无法形成保护性SEI而与锂特别不稳定。2、醚类电解液。弱极性、更稳定的醚取代碳酸酯导致CE的大幅增加，1M LiAsF6/四氢呋喃（THF）的CE为89.4%（1978），次年1-1.5M LiAsF6/2-甲基四氢呋喃的使用，达到97.4%的CE。后来引入了醚基混合物，如二乙醚（DEE）/THF（CE = 97.6%，1982年）。但是之后CE的改善停滞了20多年，因为锂离子进展很大，锂金属的研究被搁置。3、氟化电解液。2010年左右，锂金属电池研究重新兴起，人们发现氟化电解质可以使CE突破99%。LiFSI和LiTFSI被广泛用作电解液的盐，还有双盐体系，此外，这些盐的溶解度更高，能够形成独特的溶剂化结构，有利于稳定的SEI的生成。除了盐的氟化，电解液也氟化，比如FEC的使用，7 M LiFSI/FEC可以达到99.6%的CE（2018年），此期间，很多研究者使用了电解质工程策略，使用多组分电解质配方和非传统溶剂，比如2 M LiFSI/1 M LiTFSI DOL/DME + 3 wt% LiNO3实现了99.6%CE（2019年）。4、局域高浓度电解液（LHCEs）。局部高浓度电解液中使用低浓度的LiFSI和/或LiTFSI以实现超浓缩电解质的有益方面。局域高浓度电解液中含有配位弱的溶剂，降低了盐浓度，但是不破坏溶剂化结构。比如碳酸二甲酯(DMC)溶剂，用配位较弱的氟醚稀释，如双(2,2,2‐三氟乙基)醚(BTFE)，降低总盐浓度(≤2.5M)，CE高达99.5%。5、加压液化气体（Liquified gas）电解质。因为LiTFSI和LiFSI很容易溶解，它们甚至可以在完全非极性溶剂中使用，如加压液化气体电解质(例如，CH3F)，最近即使在低盐浓度(0.3 M LiTFSI in CO2/CH3F + 0.3 M THF)下也能达到99.9%的CE。这是孟颖教授发表在2019年的Joule上的成果（Joule, 2019, 3, 1986-2000），该系统是迄今为止报道的最高的CE，是在Cu||Li电池中循环100-500次的平均CE。
Hobold, G.M., Lopez, J., Guo, R. et al. Moving beyond 99.9% Coulombic efficiency for lithium anodes in liquid electrolytes. Nat Energy 6, 951–960 (2021).
