苏州纳米所蔺洪振

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蔺洪振，苏州纳米所研究员。1998年毕业于清华大学化学系，分别于2001年和2004年获得中科院化学所硕士及博士学位，2004至2006年在日本名古屋大学做博士后，2006至2010年先后在瑞典Lund大学化学物理系及比利时鲁汶大学（K.U. Leuven）光化学及光谱实验室从事单分子光谱、单分子荧光探针、超分辨荧光光谱、针尖增强拉曼等方面的研究工作，2010年加入中科院苏州纳米所，现为研究员。现主要研究方向：利用表面和频光谱(SFG)技术，结合其他瞬态光谱手段，研究有机(有机/无机复合)太阳能电池体系及光催化体系中的表面/界面动力学；贵金属纳米材料及其与有机、无机半导体材料复合体系的制备及界面光物理性质。




姓　　名：        蔺洪振
职　　称：        研究员
学　　历：        博士研究生
电　　话：        0512-62872740
通讯地址：        苏州工业园区若水路398号
电子邮件：        hzlin2010@sinano.ac.cn


研究领域：
1. 界面选择性的非线性光谱技术，
2. 单分子荧光光谱，
3. 超分辨荧光成像。

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锂硫电池因其理论容量高、能量密度高以及低成本被视为下一代储能系统。众所周知，锂硫电池中可溶性多硫化锂的穿梭效应与高的转化势垒，阻碍了活性物质的高效利用与商业化进程。锂硫电池正极的主要问题是多硫化物严重的穿梭效应和缓慢的电化学转化动力学。基于前期的结构设计研究（J. Power Sources, 2016, 321, 193；Nano Energy, 2017, 40, 390），在体系中引入高活性的缺陷金属氧化物或金属单原子催化剂能够显著降低反应势垒，促进多硫化物转化（ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 12727；Energy Storage Mater., 2020, 28, 375；ChemSusChem, 2020, 13, 3404；Energy Storage Mater. 2019, 18, 246；Energy Environment. Mater. 2020, DOI: 10.1002/eem2.12152；ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 12727）。进一步研究发现锂离子的传输动力学对电池的倍率性能影响很大，特别是在高面积载量的锂硫软包电池体系中。
　　针对上述滞后的多硫化锂转化与锂离子传输动力学问题，中科院苏州纳米所王健博士与蔺洪振研究员在快速锂离子通道型氧化铌催化剂中引入设阴离子氧空位，结合理论计算，分析了阴离子氧空位催化剂在高面积载量的锂硫软包电池中对多硫离子锚定作用及加速锂离子传导作用，推动了快充电电池的商业化进程。

　　图1 富含阴离子氧空位的AOV-Nb2O5-x@HHPC催化剂的工作机理及锂硫软包电池循环性能。

　　纳米碳负载富含阴离子氧空位氧化铌催化剂（AOV-Nb2O5-x@HHPC）的合成流程，结合了简单水热及后续热处理的方法。电子显微镜发现制备的纳米氧空位催化剂粒子的尺寸非常小且均匀分布在三维导电网络的纳米碳材料中。结合了XPS与Raman光谱，证实了更多的氧空位存在于AOV-Nb2O5-x@HHPC复合材料中。   
　　通过紫外吸收光谱可以明显看出经AOV-Nb2O5-x@HHPC吸附催化后残余多硫化锂溶液的浓度显著降低。理论模拟进一步显示了多硫化物与氧空位基催化剂表面的作用力显著增强，并且形成了Nb-S键。对称电池的循环伏安性能，硫化锂的沉积能力及Tafel曲线测试都显示了空位基催化剂能够提高多硫化物的转换速率，提高锂离子的动力学性能。将硫正极的面积载量增加至4.2 mg cm-2，添加少量的电解液，制备的软包电池初始面容量可高达3.54 mA h cm-2并可以稳定循环几十次，表明了阴离子氧化空位催化剂在锂硫电池中的有巨大应用前景。   
　　以上研究成果的第一作者程双、王健博士，通讯作者为蔺洪振研究员，以“Anionic oxygen vacancies in Nb2O5-x/carbon hybrid host endow rapid catalytic behaviors for high-performance high areal loading lithium sulfur pouch cell”为题，发表在Chemical Engineering Journal。
       文章链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.128172。这项工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金及Alexander von Humboldt Foundation等基金项目支持。

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人们对消费类电子产品、电动汽车和智能电网存储日益增长的依赖和需求刺激了对高能量密度可充电电池需求的增长。锂金属负极因较高的理论比容量被视为高能量密度电池的“圣杯”，具有高能量密度电池的潜力。然而，锂金属负极的大规模商业化仍然受到众多技术挑战的困扰，如：1）金属锂的高反应性，与电解液成分反复相互作用，形成不连续的固体电解质界面（SEI）层，消耗直至耗尽有限的电解液； 2）不均匀沉积导致锂枝晶生长并从根部断裂，形成孤立的“死锂”，降低了锂的利用率； 3) 不稳定的 SEI 和“死锂”的脱落引起的大体积变化。为了克服这些挑战并实现锂金属电池（LMBs）的商业化，研究人员从多角度在锂金属保护和电池性能优化方面做了大量的工作。
　　中科院苏州纳米所蔺洪振团队在前期的研究中，发现构筑人工结构的SEI层能够有效抑制枝晶的生长（Adv. Funct. Mater. 2022, 31, 2110468; Energy Storage Mater. 2022, 52, 210；Chem. Eng. J. 2022, 446, 137291; Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2007434；ACS Appl. Mater. Interface 2019, 11, 30500 Adv. Energy Sustain. Res. 2022, 2100187），进一步研究发现缺陷或者单原子催化剂/活化剂改善内部电子再分配、产生本征活性位点或协同位点，提升催化活性的有效方法可以降低锂离子/原子扩散势垒有助于提高锂动力学行为以获得长的锂电池循环寿命（Nano Lett. 2022, 22, 8008; Adv. Sci. 2022, 2202244；Nano Lett. 2021, 21, 3245；Chem. Eng. J. 2022, 429, 132352; Energy Storage Mater. 2019, 18, 246；Energy Storage Mater. 2020, 28, 375；ChemSusChem 2020, 13, 3404；J. Mater. Chem. A 2020, 8, 22240；Chem. Eng. J. 2020, 417, 128172；Energy Storage Mater. 2019, 18, 246；Energy. Environ. Mater. 2022, 5, 731）。
　　基于团队在锂金属电池中取得的研究进展，中科院苏州纳米所蔺洪振研究员联合德国卡尔斯鲁厄理工学院王健博士、Stefano Passerini院士及西安理工大学张静博士，受邀在国际知名期刊ACS Nano上发表题为Towards Dendrite-free Metallic Lithium Anodes: from Structural Design to Optimal Electrochemical Diffusion Kinetics的综述文章。本综述首先系统总结了刚柔并济高离子电导率的SEI结构设计思路，并根据SEI的物理化学特性进行分类：从无机层、有机层到有机无机杂化层的递进发展。其次，回顾了最近采用3D金属/碳集流体来负载热熔锂金属，以通过降低局部沉积电流密度来捕获和均匀初始锂形核的文献。最后，从最根本的电化学动力学角度总结了利用合金层或高活性单原子催化剂（SACs）调节锂离子/原子扩散动力学的最新方法并深入阐述了潜在的机制。  
　　锂沉积动力学过程概述及动力学相关的锂表面扩散及沉积行为
　　锂金属负极的锂沉积要经过锂离子/原子的溶剂化、脱溶、成核和迁移一个系列“反应”，涉及到不同的锂键的种类变化。在多步反应过程中，锂离子/原子必须克服反应动力学缓慢、高脱锂、形核及扩散能垒等，这是从根本上造成随机锂沉积、枝晶生长和SEI失效的原因。从本质上讲，枝晶的形成和生长是锂原子的局部聚集，主要由于锂离子/原子横向扩散速率远慢于垂直于电极表面的沉积速率，锂原子沿垂直方向沉积形成锂枝晶。因此调控锂原子的横向动力学过程将有益于改善锂金属电极表面的状态。

　　锂金属表面 SEI 的稳健界面工程设计
　　虽然锂金属电极在电化学电镀过程中遇到了枝晶形成和体积变化的问题，但由于其高容量和低相对电位，它仍然被认为是大规模储能应用中电池的“圣杯”负极候选者。人们普遍认为，当在空间和时间相关的局部电场下，不均匀的锂离子分布时会发生锂枝晶的形成。受石墨负极的启发，自发形成的SEI可提高电极的循环稳定性，改善电解液成分或人工预处理金属锂表面，并构建坚固的SEI层可改善整个SEI的锂传输，限制锂枝晶的生长。理想的SEI层应具备良好的机械强度和柔韧性、光滑的形态和亲锂性，以使Li+分布均匀，致密性以抵抗溶剂的渗透，以及足够的Li+传输通道。根据获得的SEI层的组成成分，SEI可分为无机层、有机/聚合物层和有机/无机杂化层。
　　三维亲锂性多孔集流体的结构设计与优化
　　除了SEI层的多样性，导电集流体的物理化学性质也会影响初始锂成核和沉积行为。目前，广泛报道了利用多孔集流体以用来研究锂离子和电子之间的耦合过程以及电化学沉积形态。具有高表面积交联结构的集流体可以降低锂沉积的局部电流密度，并可以提供足够的空隙来容纳体积变化。该章节系统总结了3D金属网络和轻质碳及其衍生物对锂金属沉积行为的影响。
　　锂扩散动力学的电化学调控设计
　　在锂沉积的多个过程中，由于滞后的传输与反应动力学，锂离子/原子经历高的去溶剂化、成核和扩散能垒。根据扩散模型和空间分布理论，锂枝晶的生长主要归因于随机的锂离子沉积行为和缓慢的表面原子扩散。因此，用电化学手段调节锂离子/原子的沉积行为似乎是一种更简单、更直接的方法，与质量较大的集流体相比，这对整个电池能量密度的损失几乎可以忽略不计。在本节中，首先介绍合金材料以调节界面上的锂离子/原子动力学。随后，当合金或金属尺寸减小到原子水平，活性能力达到最高，甚至达到100%原子利用率，在锂负极中应用的SACs可显著降低从锂原子成核到原子扩散的势垒。
      以上联合工作受到了江苏省自然科学基金、国家重点研发计划、国家自然科学基金、德国Alexander von Humboldt Foundation（洪堡基金）、亥姆赫兹研究基金等基金项目支持。