AMR Account |中科院化学所郭玉国研究员团队：空间限域的电化学反应助力新一代高比能二次电池

近日，中国科学院化学研究所郭玉国研究员团队在AMR发表述评文章“Space-Confined Electrochemical Reactions and Materials for High-Energy-Density Batteries”。文章总结了空间限域效应在电化学存储领域中的独特优势及近期进展，同时对该领域面临的挑战和未来发展进行了展望。

关键词：高比能二次电池，限域电化学储能，转换/合金反应，三维导电网络，储锂性能

限域电化学储能——小尺度蕴含高效能。

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文章内容简介

基于非插层电化学反应机制的电极材料因具有高容量储锂特性而被认为是实现“后锂离子电池”时代的关键。然而，非插层电极材料在电化学反应过程中通常伴随着不可逆结构演变、较大体积形变与严重的界面副反应，导致电池容量衰减与失效，并带来安全隐患。通过将非插层电极材料封装在三维导电骨架中，构筑空间限域型复合电极，可实现更好的储锂性能。本述评文章从基本热力学角度出发（系统-环境理论），重新审视了非插层电极材料在空间限域体系中的电化学反应过程，概述了用于硫属元素正极（S、Se和Te）、硅基负极（Si和SiO_x）以及锂金属负极的限域结构设计的最新进展，并将其与开放体系比较，揭示了限域效应对储锂性能的有利影响。作者述评了空间限域效应对以上材料的电荷输运动力学、结构演变、以及电化学反应机制的重要影响，讨论了结构与性能的构效关系，最后展望了空间限域策略在下一代可充二次电池电极材料设计方面的潜力和挑战。

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AMR：请问您对该领域

的发展有何愿景？

作者团队：

该文揭示了空间限域效应在高比能锂电池领域显示出巨大的应用前景和潜力，未来有望拓展应用在钠、钾甚至多价态金属（镁、钙、锌、铝）二次电池中，发展新一代“后锂离子电池”储能技术。不仅如此，空间限域效应也将在电催化剂领域得到广泛发展，基于空间限域效应的催化材料表现出更高的选择性和催化活性，这也为其它储能体系（如Li-O₂、Li-CO₂电池及燃料电池）的发展带来了新的机会。

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AMR：请和大家分享一下这个

领域可能会出现的研究机会

作者团队：

目前来看，空间限域电化学领域仍有较多未解决的关键基础科学问题，有待进一步研究。
1、宿主分子的电化学反应机制研究从已知的研究结果可知，利用（亚）纳米孔道的空间限域效应可以从分子尺度上精确调控宿主分子的结构组成，然而空间限域条件下宿主分子与锂离子、钠离子、钾离子等不同金属离子反应的电化学机制尚不明确，宿主分子充放电过程的结构演化规律及其与性能之间的构效关系也尚不清晰。发展亚纳米尺度原位物相表征方法与电化学分析手段对于揭示以上科学问题尤为重要，也将是未来研究方向之一。
2、限域空间内电荷输运机制受限于空间尺寸的影响，活性分子与电解液溶剂分子的相互作用将与开放体系完全不同，离子溶剂化及去溶剂化行为也有所改变，因此不同金属离子（锂离子、钠离子、钾离子）在限域空间内部及界面处电荷输运动力学及稳定性有待研究。

作者团队简介

● 张娟 副研究员

中国科学院化学研究所副研究员。主要从事高比能金属锂二次电池、锂硫电池关键材料相关研究。以第一作者或通讯作者在Acc. Mater. Res.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Mater.等期刊发表SCI论文10余篇，他人引用2000余次。申请PCT国际专利2项、中国发明专利10余项，授权美国专利2项，授权中国发明专利5项。入选第八届中国科协“青年人才托举工程”项目。

● 辛森 研究员 博士生导师

中科院化学所分子纳米结构与纳米技术院重点实验室研究员，博士生导师。主要从事高比能金属二次电池储能电化学相关研究。作为项目（课题）负责人承担科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金面上项目、北京市杰出青年科学基金项目等。发表专著论文3篇，SCI期刊论文>150篇，其中第一作者（含共同一作）和通讯作者论文60余篇，发表在Science、Acc. Mater. Res.、J. Am. Chem. Soc.、Sci. China Chem.等期刊上，论文总被引>20,000次，h指数为71，2019-2022年度连续四年入选科睿唯安“全球高被引科学家”。申请PCT国际专利4项和中国发明专利20余项，并在中国、日本、美国等多个国家获得授权。获中国化学会青年化学奖、中国电化学青年奖、中国化学会青委会菁青化学新锐奖等学术奖项。

● 郭玉国 研究员 博士生导师

2007年起任中科院化学所研究员，课题组长，现任中国科学院大学岗位教授，博士生导师，中科院分子纳米结构与纳米技术重点实验室副主任，中国化学会电化学专业委员会副主任、科睿唯安全球高被引学者、中国硅酸盐学会固态离子学分会理事和副秘书长。主要研究方向为能源电化学与纳米材料的交叉研究。在高比能锂离子电池、锂硫（硒）电池、固态电池、钠离子电池等电池技术及其关键材料方面取得一些研究成果，致力于推动基础研究成果的实际应用，开发出的高性能硅基负极材料实现了成果转化。在国际知名期刊上发表SCI论文380余篇，他人引用超过51000次，h指数为116，连续9年被科睿唯安评选为全球“高被引科学家”，出版电池方面英文专著1部。获外国发明专利授权11项，中国发明专利授权116项，成果转化多项。主持承担科技部国家重点研发计划项目、国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金重点项目、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划、中国科学院重点部署项目、中国科学院战略先导项目课题、北京市自然科学基金重点研究专题项目、北京市、工信部和企业的横向项目。曾荣获中国青年科技奖、中国科学院青年科学家奖、国际电化学委员会ISE Tajima奖、国际能量存储与创新联盟青年成就奖、国际电化学能源科学院IAOEES卓越研究奖、美国麻省理工学院《Technology Review》“全球杰出青年创新家TR35” 等学术奖项。

课题组链接: http://mnn.iccas.ac.cn/guoyuguo/

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Space-Confined Electrochemical Reactions and Materials for High-Energy-Density Batteries

Juan Zhang, Yi-Fan Tian, Sen Xin*, and Yu-Guo Guo*

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/accountsmr.3c00017

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