納米人編輯部對2019年國內外重要科研團隊的代表性重要成果進行了梳理，今天，我們要介紹的是斯坦福大學崔屹教授。崔屹教授主要研究領域集中在能源存儲與轉化、納米顯微技術、納米環保技術、納米生物技術、先進材料的合成與制造等等。以納米技術為核心，多學科交叉，多方向并進是崔屹教授課題組研究的重要特點。尤其是在電池納米技術領域的研究，崔屹教授團隊長期以來引領國際研究前沿方向。近年來，崔屹教授課題組主要活躍在以下幾個研究領域：值得一提的是，2019年，崔屹教授團隊利用冷凍電鏡，實現了對鋰電池熱管理、SEI等方面更深層次的機理認識。同時，團隊也持續在鋰金屬負極發力，并更多地開始集中于固態電池的研究。有鑒于此，我們簡要總結了崔屹教授課題組2019年部分研究成果，供大家交流學習。1）由于相關論文數量較多，本文僅限于段教授作為通訊作者的論文（不包括序言、短篇評述等），以online時間為準。如有遺漏，歡迎留言補充。2）由于學術水平有限，所選文章及其表述如有不當，敬請批評指正。3）由于篇幅限制，部分成果未列入編號，僅以發表截圖展示。Part Ⅱ 固態電池
Part Ⅲ 鋰金屬負極
Part Ⅳ SEI
PartⅤ 熱管理
PartⅥ 其他
1. 給鈣鈦礦拍高分辨TEM到底有多難？丨Joule近年來，有機無機雜化鈣鈦礦材料由于其獨特的光電性能在光伏領域引起了廣泛的關注。短短幾年內，鈣鈦礦太陽能電池的光電轉換效率已從最初的3.8%提高到了25.2%。然而鈣鈦礦材料在環境中（例如紫外線或水汽）暴露時的不穩定性問題依然是鈣鈦礦太陽能電池商業化的一大阻力。此外，該材料在電子束照射下的不穩定性使得利用透射電子顯微鏡（TEM），這一材料學領域原子級別表征利器，對其進行研究變得極為困難。之前常用的表征手段都被限制于低空間分辨率的中子散射，X射線衍射，以及TEM選區電子衍射。如何獲得有機雜化鈣鈦礦材料，尤其是甲胺碘化鉛鈣鈦礦（MAPbI3）的高分辨TEM影像，進而從納米及原子尺度研究該材料的不穩定分解過程成為了該領域一個亟待解決的問題。有鑒于此，斯坦福大學崔屹教授與WahChiu（趙華）教授團隊首次將獲冷凍電鏡技術運用到了對鈣鈦礦材料結構以及其在環境中暴露時分解機理的表征中。與之前的常規TEM相比，研究人員發現Cryo-EM不僅可以成功的防止在常規TEM進樣過程中，由短暫的空氣暴露所引起的鈣鈦礦分解，還可以成功阻止甲胺分子在電子顯微鏡高真空環境下的逃逸，并提高鈣鈦礦材料對破壞性電子束的耐受程度。得益于這種技術，研究人員首次獲得了MAPbI3 納米線的原子分辨率圖像。并且，研究人員利用急凍方法，穩定并在納米尺度捕捉到了鈣鈦礦材料在紫外線與水汽中暴露時的分解過程，為探索如何提高鈣鈦礦材料的穩定性提供了重要的線索和方法。Yanbin Li?, Weijiang Zhou?,Yuzhang Li?, Wenxiao Huang, Zewen Zhang,Guangxu Chen, Hansen Wang,Gong-Her Wu, Nicholas Rolston, Rafael Vila, WahChiu*, Yi Cui*. Unravellingdegradation mechanisms and atomic structure oforganic-inorganic halideperovskites by cryo-EM.https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(19)30419-22. 升高溫度可提高鋰金屬電池循環性能丨NatureEnergy了解枝晶的形成過程和機理，是實現高能量密度和安全鋰金屬電池的關鍵。長期以來，與具石墨負極的鋰離子電池相比，鋰金屬電池通常表現出較差的循環性能，較窄的操作溫度范圍和更嚴重的安全問題。為了解決這些問題，研究人員開辟了大量的策略，包括采用犧牲劑，通過固態或聚合物電解質來穩定電解質配方、界面工程等等。這些策略雖然一定程度上可以抑制鋰枝晶形成，以提高電池性能，但是在重復的電化學電鍍和剝離過程中可能無法完全避免。在電池循環期間，枝晶生長也變得復雜，化學和電化學反應不斷改變固體電極-電解質界面（SEI）的組成。由于所有這些過程都發生在封閉系統中，因此SEI和樹枝狀結構的表征成為真正的挑戰。有鑒于此，斯坦大學崔屹課題組及其合作者通過冷凍電鏡揭示了枝晶的生長機理，并發現升高溫度可以改善電池的循環性能。一般認為，當使用高反應性鋰金屬作為負極時，升高溫度會增強副反應，導致循環性能更差。而崔屹團隊則展示了在高溫條件下工作的鋰金屬電池的增強性能。在60 ℃的基于醚的電解質中，他們獲得了99.3％的平均庫侖效率，并且實現了超過300個穩定循環。但是在20 ℃下，庫侖效率在75個循環內急劇下降，平均庫侖效率為79.9％。團隊進一步證明，使用LiFePO4 / Li電池進行快速充電，沒有任何明顯的安全問題，這種高溫條件下的優異行為歸因于理想的SEI納米結構。冷凍電鏡揭示，在60°C時出現完全不同的固體電解質界面納米結構，可有效保持力學穩定性，抑制連續的副反應，并保證良好的循環穩定性和低電化學阻抗。此外，在升高的溫度下，生長的較大鋰顆粒減少了電解質/電極界面面積，降低了每次循環過程中的鋰損失，并且實現了更高的庫侖效率。Improving cyclability of Limetal batteries at elevated temperatures and its origin revealed bycryo-electron microscopy，Nature Energy 2019.https://www.nature.com/articles/s41560-019-0413-33. 冷凍電鏡護航，褶皺石墨烯籠實現高容量鋰金屬負極丨Nano Letters金屬鋰負極被認為是負極化學中的“圣杯”，但其實際應用中往往發現庫倫效率太低，安全性也存在諸多問題。有鑒于此，斯坦福大學崔屹課題組介紹了一種新型褶皺石墨烯籠載體（WGC）用于金屬鋰負極。與以往報道的無定形碳球不同，WGC的機械穩定性得到了提高、具有更高的離子電導率和卓越的固態電解質界面保護（SEI）。在低面積容量下，金屬鋰優先沉積在石墨烯籠的內部。冷凍電鏡表征發現，WGC表面均勻穩定的SEI膜界面可以防止金屬鋰與電解液的直接接觸。隨著面容量的增加，金屬鋰會致密均勻地沉積在石墨烯籠之間的孔隙中且無枝晶生長。因此，在商品化碳酸酯電解液中在0.5Ma/cm2和1-10mA/cm2的電流密度下能夠實現高達98.0%的庫倫效率。采用預嵌鋰的WGC與LFP電極匹配的全電池能夠保持良好的循環穩定性。Hansen Wang et al, WrinkledGraphene Cages as Hosts for High-Capacity Li Metal Anodes Shown by CryogenicElectron Microscopy. Nano Letter. 2019.https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.8b04906一方面，人們對更高能量密度的電池需求越來越大，另一方面，控制電池失效的原子尺度機制并不為人所知。雖然人們普遍認為，電池性能的衰減和失效與SEI密切相關，但具體原因并不清楚。有鑒于此，斯坦福大學崔屹團隊及其合作者使用冷凍電鏡，從原子水平為我們揭示了SEI界面的反應性和敏感性電池材料。研究發現了兩種不同的SEI納米結構（即鑲嵌型SEI和多層型SEI），SEI納米結構的細微變化將為電池帶來的顯著的性能提升。在鑲嵌型SEI中，高結晶度區域會發生局部Li溶解，而對于更有序的多層型SEI中，Li剝離則更加均勻，這將導致在電池循環期間，Li流失量增加三個數量級。Li, Y. et al. Correlating Structure and Functionof Battery Interphases at Atomic Resolution Using Cryoelectron Microscopy. Joule 2019.http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S25424351183038425. 又薄又柔的固態電解質丨NatureNanotechnology鋰離子電池是當今電池世界的霸主，隨著對能量密度越來越高的要求，采用金屬鋰負極成為大勢所趨，而金屬鋰負極進一步增加了電池安全風險。解決電池安全性能的重要任務，就這樣落到了全固態鋰電池的肩上。為了獲得與基于液體電解質的鋰電池相當的能量密度，固體電解質需要具有高離子電導率、力學強度好、不可燃、化學穩定性等特性。然而，用于液體電解質的商業聚合物電解質隔板厚度僅有10 μm左右，如果采用如此薄的固體電解質勢必會極大地增加電池短路的風險。有鑒于此，斯坦福大學崔屹課題組報道了一種聚合物-聚合物復合電解質，他們將8.6um厚的納米多孔的PI用PEO/LiTFSI電解質進行填充，得到了可用于鋰電池的超薄、柔性聚合物復合固體電解質，可以確保全固態鋰離子電池的安全性能。不燃且機械穩定的PI膜能夠保證電池在循環超過1000h的情況下不發生短路，且垂直的孔道增強了電解質的離子電導率。基于此電解質的全固態鋰電池在高溫下循環性能優異且通過了一系列安全測試。JiayuWan, Jin Xie, YiCui et al. Ultrathin, flexible, solid polymer compositeelectrolyte enabled withaligned nanoporous host for lithium batteries. Nature Nanotechnology 2019.https://www.nature.com/articles/s41565-019-0465-36. 500Wh/kg，高能量密度SELL-S和SELL-Se電池體系丨Joule由于固態鋰金屬和液態有機電解液的使用，導致鋰硫和鋰硒電池在實際的使用過程中出現以下問題：1)由于多硫化鋰和多硒化鋰在液態有機電解液中的穿梭效應和溶解，導致電池循環穩定性差以及庫倫效率低; 2) 使用的液態有機電解液具有易燃等特點導致電池安全性差，無法實際大規模應用; 3)鋰枝晶的產生和與電解液的副反應導致金屬鋰負極的持續消耗。除此以外，硫和硒正極在充放電的過充中會產生體積膨脹導致正極材料的顆粒粉化和從集流體上脫落，使電池容量衰減。以上這些問題都嚴重影響鋰硫電池和鋰硒電池的進一步商業化應用。有鑒于此，斯坦福大學崔屹教授團隊及其合作者研發出一種高能量密度基于固態陶瓷電解質的熔融液態鋰-硫和鋰-硒電池（分別簡稱SELL-S和SELL-Se）體系，將電池的能量密度提升到500Wh/kg以上。該電池體系以液態鋰為負極，以液態S或者Se為正極，采用高致密性的Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12(LLZTO)陶瓷管作為電解質將正負極之間完全隔離開，電池運行在240oC的環境。在該運行溫度下，LLZTO陶瓷管具有高的電導率，有利于電池達到高的功率密度。該體系同時具備低的能量成本和良好的電化學循環穩定性，有望應用于規模化儲能等應用領域。Yang Jin et al.HighEnergy Density Solid Electrolyte-based Liquid Li-S and Li-Se Batteries. Joule2019.https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(19)30431-37. 一種復合鋰金屬電極簡單制備工藝丨ScienceAdvances高電活性表面積會降低實際電流密度，從而減輕Li枝晶的形成，但也會引發強烈的副反應和SEI形成，造成電化學性能衰減。為了使這兩者達到平衡，目前已嘗試將電活性區域增加到微米尺度。因此通過諸如引導成核（guided nucleation）、引導生長（guided growth）、融化注入法 (melt-infusion)等手段將鋰包入三維骨架結構從而制備微尺度復合金屬鋰電極便成為了有效的解決方法之一。然而，上述方法均需要高成本和復雜的制造程序（涉及多步納米合成法的引導成核需要預先以金納米粒子作為成核種子，Li熔注需要>200°C的高溫和安全預防措施），因此急需一種簡單有效的微尺度復合鋰電極構建策略。有鑒于此，斯坦福大學崔屹教授課題組及其合作者提供了一個簡單而巧妙的思路，從鋰金屬獨特的物理性質切入，通過簡單的手工（卷繞-剪切），構建出一個具有三維陣列的立柱狀高性能復合金屬鋰電極。作者從金屬鋰獨特的物化性質入手，利用金屬鋰質軟及延展性強的特點，將多孔聚乙烯膜(12微米厚)與金屬鋰箔(50微米厚)裁成長寬相同的細條，仔細對齊疊放，然后卷繞成一個卷軸狀柱體，然后用刀片將柱體切為一片片厚度約一毫米左右的電極片。通過這種設計，多孔PE膜可以均勻地嵌入Li層之間，從而形成具有交替Li和多孔PE膜良好限定的層狀結構。這種簡單的卷繞-剪切(rolling-cutting)法不需要任何苛刻的實驗條件及設備。Zheng Liang et al. Compositelithium electrode with mesoscale skeletonvia simple mechanical deformation,Science Advances, 2019.http://advances.sciencemag.org/content/5/3/eaau56558. 超薄離子間相構建高效鋰負極丨NatureCommunications開發基于鋰金屬負極的高性能鋰離子電池，傳統碳酸鹽電解質低的的庫侖效率和枝晶生長仍然是亟待解決的問題。有鑒于此，斯坦福大學崔屹課題組及其合作者開發了一種超薄（≤100nm）的鋰離子交聯聚合物膜作為銅或鋰上的涂層，這種膜由嵌入多面體低聚硅氧烷的鋰交換磺化聚醚醚酮組成，可以使鋰金屬電池在以碳酸鹽為基礎的電解液中實現高效穩定的鋰電鍍-剝離循環。原位分析和理論模擬表明，離子交聯聚合物涂層具有顯著的能力，能夠在相當大的鋰電鍍表面上實現電場均勻化。膜涂層可用作人工固體電解質界面膜（SEI）過濾器，最大程度地減少電解質-電極界面處的副反應，其可在室溫和高溫（50 °C）下以優異的庫侖效率在銅上進行無枝晶的鋰電鍍-剝離循環。這表明鍍膜銅是一個有前途的集流體可用于制造高質量的預鍍鋰薄膜負極。Yu-Ting Weng et al. Anultrathin ionomer interphase for high efficiency lithium anode in carbonatebased electrolyte. NatureCommunications, 2019.https://www.nature.com/articles/s41467-019-13783-19. 一種可用于鋰金屬負極載體的內部聯通隧道框架丨AEM金屬鋰負極長期以來一直被認為能夠有效滿足高比能、高功率二次電池體系的需求，但是其實際應用受到不均勻的鋰沉積、不穩定的SEI膜和低庫倫效率的限制。在商業水平電流密度和面容量測試條件下這些問題會被放大。在本文中，研究人員報道了一種碳化茄子狀的隧道聯通的金屬鋰負極載體（EP）。在進一步用LiF進行界面相修飾后，這種EP-LiF負極能夠保持著90%的金屬鋰的容量，并且能夠有效抑制循環過程中鋰枝晶的生長和體積膨脹。Hansen Wang, Dingchang Lin et al, An Interconnected Channel‐LikeFramework as Host for Lithium Metal Composite Anodeshttps://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.20180272010. 多功能人造SEI提高金屬鋰負極性能丨Joule隨著商用鋰離子電池的容量越來越接近理論值，人們急需尋找一種可靠的負極材料來替代鋰離子電池中的石墨，從而進一步提高鋰電池的能量密度。鋰金屬具有極高的（3,860 mAh/g）比容量和極低的（-3.04 V對于標準氫電極）電化學電位，成為了目前研究最火熱的負極材料。然而金屬鋰極其活潑的天性使其非常容易和電解液中的成分反應，從而在其表面生成不均勻、易破碎的固體-電解質界面（SEI）。該界面不均勻的的鋰離子傳輸特性導致金屬鋰在沉積時容易生成枝晶狀結構，從而造成隔膜刺穿和短路，甚至熱失控。因此，更好地調控金屬鋰和電解液之間的SEI層成為了改進金屬鋰負極性能最重要的手段之一。有鑒于此，斯坦福大學鮑哲南教授和崔屹教授團隊開發了一種全新的多功能人造SEI。該SEI涂層使得金屬鋰負極在商業可得的碳酸酯電解液和工業量級的NMC高壓正極材料中展現了極佳的性能，為鋰金屬電池的發展提供了借鑒意義；同時，本工作進行了大量而細致的系統性研究，闡釋了該網絡材料高導離子率的內在機理、動態流動性的來源、防電解液穿透特性的原理，揭示了導離子率、材料力學性能、防電解液穿透特性等性質各自對于金屬鋰保護的作用。A Dynamic,Electrolyte-Blocking, and Single-Ion-Conductive Network for StableLithium-Metal Anodes. https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(19)30369-1鋰剝離是鋰金屬電池循環過程中的關鍵議題。大多數研究都聚焦于鋰沉積，而對于亞表層的剝離行為卻知之甚少。有鑒于此，斯坦福大學崔屹課題組通過可視化三電極系統和超微電極等研究手段，探索了在不同電流密度和不同液體電解質條件下鋰金屬負極的剝離過程，提出了兩種鋰剝離機制：1）鈍化鋰剝離；2）SEI膜擊穿后點蝕。研究表明，剝離后的鋰會導致金屬空位的積累，最終和SEI膜之間形成納米空隙。鋰的快速溶解會加速空隙長大最終導致SEI的塌陷，即形成點蝕。研究還發現，剝離過程中鋰離子在SEI膜的遷移和擴散是決定倍率的關鍵因素。鋰表面上的不均勻位點，例如晶界和滑移線，可極大地加速鋰的局部溶解。這項研究揭示了高充電電流密度下庫侖效率的衰減機制，為進一步開發更高性能的鋰金屬負極提供了新的借鑒。Lithium metal stripping beneaththe solid electrolyte interphase. PNAS 2019.http://www.pnas.org/content/early/2018/08/02/180687811512. 無枝晶鋰金屬負極中溫度依賴的成核與生長丨Angew發展簡單高效的方法來提高高能量密度鋰金屬電池的電化學穩定性十分重要。在本文中，悉尼科技大學的汪國秀與斯坦福大學的崔屹教授等探討了溫度依賴的鋰枝晶成核與生長行為并通過將溫度從20度提升至60度構建了一種無枝晶鋰金屬負極。一系列原位和非原位顯微手段發現溫度的提高會使得鋰成核尺寸增大、成核勢壘降低并且生長更加致密。他們發現高溫下非質子電解液中親鋰性的增強和鋰離子擴散系數的增大是實現無枝晶鋰沉積行為的關鍵。無論是全電池還是半電池，該無枝晶負極在60度下的沉積都十分致密，并且實現了高庫倫效率和循環壽命。Kang Yan, Yi Cui, Guoxiu Wanget al, Temperature‐dependentNucleation and Growth of Dendrite‐free Lithium MetalAnodes, Angew. Chem. Int. Ed., 2109https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/ange.201905251?af=R13. 局部溫度熱點引起的快速鋰生長和短路丨Nature Communications了解影響Li金屬生長的關鍵因素，對于開發更安全的Li金屬電池至關重要。有鑒于此，斯坦福大學崔屹課題組使用激光在Li電池內部產生局部高溫，通過微拉曼光譜進行溫度測量，研究了局部溫度熱點對Li金屬生長的影響，發現溫度確實可能誘導電池短路。研究者發現，由于局部增強的表面交換電流密度，在溫度熱點上Li沉積速率，比周圍較低溫度區域快幾個數量級，從而極大地誘導鋰金屬的生長。基于這一觀察，研究團隊進一步證明局部高溫可能是導致電池短路的因素之一，光學可視化和電壓- 電流測試和局部溫度響應測量可以有效地支撐這一結論，溫度測量平臺為能量存儲設備的熱管理提供了新的借鑒。Yangying Zhu et al. Fastlithium growth and short circuit induced by localized-temperature hotspots inlithium batteries, Nature Communications, 2019.https://www.nature.com/articles/s41467-019-09924-114. 眾里尋它千百度，一種理想的快充負極材料丨Joule現有快速充電型商業鋰離子電池能夠達到40分鐘至1小時充電至80%，但是這依然不能滿足人們對電池快充性能的需求。如果將來能夠實現商業鋰離子電池5分鐘至10分鐘充電至80%及以上，電動汽車將具有與燃油車相媲美的使用體驗，必將給人們的生活和工作帶來極大的便利。設計高性能鋰離子電池負極材料以實現快速充電性能，同時兼顧高能量密度和高安全性，是領域亟待解決的關鍵問題。有鑒于此，斯坦福大學崔屹教授、華中科技大學孫永明教授、清華大學王莉教授提出紅磷是一種理想的負極材料，可用于實現快速充電鋰離子電池，同時報道了一種紅磷/碳復合材料在充電電流密度為8 C、電極片面容量為1 mAh cm-2情況下容量保持率為84% (10分鐘充電至84%)。在0.2 C、3.0 mAhcm-2下，500次循環容量保持率為90%。在商業化單位面積容量載量（~3.5mAh cm-2）下，紅磷/碳負極的倍率性能和容量性能特征遠超傳統石墨和鈦酸鋰負極（基于電極整體體積/質量計算）。SunY, Wang L, Li Y, et al, Design of redphosphorus nanostructured electrode forfast-charging lithium-ion batteries withhigh energy density. Joule, 2019.https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(19)30046-715. 以彼之道，還施彼身，果然是催化劑中的慕容復！催化反應是眾多工業化學過程的基礎。由于催化反應機理及其微觀過程的復雜性，針對特定化學反應過程定向開發高活性、高選擇性催化劑，是化學與材料科學長期以來的研究熱點與難點。例如，在水溶液體系中利用可再生電能電化學還原CO2，生產高附加值燃料和化學品，是一種經濟可行且環境友好的碳循環概念；然而，缺少高活性、高選擇性、低成本的電化學還原二氧化碳反應(CO2RR)的催化劑制約了上述碳循環概念的技術實現與推廣應用。對于CO2RR電催化反應，過渡族金屬或后過渡族金屬納米晶催化劑暴露于反應環境的晶面取向，對其電催化活性與選擇性有非常重要的影響。CO2RR催化劑納米晶晶面取向的設計與可控制備，是該技術領域的核心問題之一。有鑒于此，斯坦福大學崔屹教授團隊提出了一種“以彼之道，還施彼身”的高性能催化劑定向自選擇合成新方法。通過在CO2RR催化劑合成過程中引入目標催化反應的原始反應物（CO2）或中間產物，利用這些反應物或中間產物對納米晶不同晶面的選擇性吸附效應，擇優穩定與目標反應物或中間產物親和能力較強/結合更穩定的晶面。該方法利用目標化學物種在納米晶合成過程中對特定晶面的選擇性穩定作用，擇優制備對目標反應具備高活性和高選擇性的催化劑，實現圍繞目標化學反應過程的高性能催化劑定向自選擇合成，產生了自選擇催化劑（self-selective catalyst，SELF-CAT）概念，暗合斗轉星移——“以彼之道，還施彼身”之法。以金屬Pb為例進行說明。具體地，將金屬鉛從含有Pb2+陽離子的飽和CO2電解質電沉積到導電基底上。在該電沉積電位下吸附的CO2分子將被還原為極性羧基分子。這些得到的吸附的羧基基團選擇性地與生長的金屬晶體的特定晶面相互作用，并起到表面控制劑的作用。當作為CO2RR催化劑時，這種具有特殊形貌的金屬納米顆粒表現出更加優異的催化活性。Hongxia Wang, Zheng Liang, Michael Tang, KarenChan, Tianwei Tan,Yi Cui, et al. Self-Selective Catalyst Synthesis forCO2 Reduction. Joule 2019.https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(19)30266-116. 電化學修復重金屬土壤污染丨Nature Communications土壤重金屬污染是一個十分嚴峻的環境問題，然而現有土壤修復技術遇到了時間長、化學成本高、能耗大、二次污染和土壤養分流失等諸多障礙。有鑒于此，斯坦福大學崔屹教授等人報道了一種新型的基于非對稱交流電化學手段的土壤修復方法，該方法能實現對不同初始濃度(100-10000 ppm)重金屬(銅、鉛、鎘)高效快捷去除。修復結果表明，在處理過的土壤中沒有觀察到過多的養分流失，也沒有產生次生有毒物質。經過長期試驗和植物試驗表明，該方法具有較高的可持續性和農業應用的可行性。Jinwei Xu et al. Remediation of heavy metal contaminatedsoil by asymmetrical alternating current electrochemistry. Nat. Commun.,2019https://www.nature.com/articles/s41467-019-10472-x鋰離子電池為便攜式電子產品，電動汽車和固定式存儲設備供電，已獲得2019年諾貝爾化學獎。納米材料的開發及其在電極和器件中的相關處理可以改善現有能量存儲系統的性能和/或開發。斯坦福大學的崔屹，德累斯頓工業大學的馮新亮，德雷塞爾大學(費城)Ekaterina Pomerantseva, Yury Gogotsi和意大利理工學院Francesco Bonaccorso等人提供了有關納米材料在儲能設備（例如超級電容器和電池）中的最新應用的觀點。納米材料的多功能性可以為便攜式，柔性，可折疊和可分配電子設備提供電源。電力運輸；和網格規模的存儲，以及在生活環境和生物醫學系統中的集成。為了克服納米材料因高表面積而引起的高反應性和化學不穩定性的局限性，應將具有不同功能的納米顆粒組合在納米和微米級的智能體系結構中。將納米材料集成到功能架構和設備中需要開發先進的制造方法。討論成功的策略并概述開發納米材料的路線圖，以支持未來的能量存儲應用，例如為分布式傳感器網絡以及柔性和可穿戴電子設備供電。Energy storage: The futureenabled by nanomaterials, Science, 2019https://science.sciencemag.org/content/366/6468/eaan828518. 超級快充電池材料的四大挑戰丨Nature Energy充電5分鐘，通話2小時的廣告語言猶在耳。然而事實上，實現這個目標困難重重，需要橫跨多個層次的基礎研究和技術開發，電池技術就是其中最關鍵的障礙之一。目前而言，由石墨負極、過渡金屬氧化物正極和液態電解質組裝的高能鋰離子電池在電池性能和安全性方面還無法達到15 min的快充目標。這是因為，當電池以高倍率充電時，電池內部的各種極化（歐姆、濃度和電化學）將導致活性材料的有效利用受限，增加了鍍鋰的傾向，并產生過多的熱量。有鑒于此，斯坦福大學崔屹教授團隊系統總結了超級快充電池材料面臨的四大挑戰及其帶來的機遇。研究團隊從質量傳遞、電荷轉移、熱管理、表征技術四個方面闡述了分析了當前電池材料快速充電所面臨的主要問題、解決方案以及未來研究方向。電池是一個精密的系統工程，一個參數的改進可能會對其他電池指標產生負面影響，因此鋰離子電池技術的逐步變化需要采用整體方案。如何將許多概念驗證電池設計轉換為商業化產品，尤其值得思考。從長遠來看，采用顛覆性電池技術，如新型電池化學和3D電池架構，以最終實現快速充電和廣泛采用電動汽車，或許是不二之選。XFC是一個復雜的主題，除了本文中提出的材料挑戰和解決方案之外，業界所追尋的系統級關注點和解決方案也非常重要。因此，我們呼吁行業專家分享知識和觀點，以彌合科學界和產業界之間的差距，以實現快速充電共同目標。Yayuan Liu, Yangying Zhu, Yi Cui. Challengesandopportunities towards fast-charging battery materials. Nature Energy 2019.https://www.nature.com/articles/s41560-019-0405-319. 電化學儲能中的納米線丨ChemicalReviews納米材料憑借其顯著不同于體相材料或微米材料的納米尺寸效應為電化學儲能器件提供了很多獨特的性質。尤其值得注意的是，受限制的維度在決定納米材料的性質方面起到了十分關鍵的作用，比如離子擴散動力學，應變/應力的大小，以及活性材料的利用等性質。納米線作為一種具有代表性的一維納米材料，由于能夠保持長軸上的電子輸運，并且在直徑上具有約束效應，因此在能量存儲領域有著廣泛的應用前景。在這篇綜述中，武漢理工大學的麥立強教授與斯坦福大學的崔屹教授等對電化學儲能納米線的最新研究進展進行了系統綜述，從合理的設計和合成、原位結構表征、到包括鋰離子電池、鋰硫電池、鈉離子電池在內的能量存儲中的幾個重要應用。文章指出了電化學儲能存在的問題和局限性以及利用納米線解決這些問題和提高器件性能的優點。最后，作者還討論了納米線在儲能領域應用所面臨的挑戰，并展示了先進的納米線為基礎的儲能設備的未來發展前景。Guangming Zhou, Liqiang Mai, Yi Cui et al, Nanowires for Electrochemical Energy Storage, Chemical Reviews 2019.https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemrev.9b0032620. 聚合物為電池開疆擴土丨NatureReviews MaterialsJeffrey Lopez et al. Designing polymersfor advanced battery chemistries. Nature Reviews Materials 2019.https://www.nature.com/articles/s41578-019-0103-6崔屹教授，1998-2002年就讀于哈佛大學化學系， 2003-2005年間在加州大學伯克利分校從事博士后研究工作；并于2005年加盟斯坦福大學。崔屹教授先后在Science、Nature、NatureNanotechnology、Nature Materials、Nature Chemistry、Nature Energy、Joule、JACS等世界頂級期刊發表高水平論文400余篇。
