3月17日，由我校材料科学与工程学院麦立强教授主持、我校作为牵头单位，联合吉林大学、清华大学、南方科技大学和华中科技大学共同承担的国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”重点专项项目“飞秒光场调控制备新型柔性电子材料及器件”启动会暨实施方案论证会在我校会议中心召开。科技部高技术研究发展研究中心项目主管会同来自中科院、清华大学、浙江大学、南京大学、东南大学、华南理工大学、北京科技大学、东北师范大学和南京工业大学等单位的三十余名专家学者齐聚一堂，围绕飞秒光场调控制备新型柔性电子材料及器件的研发应用展开热烈讨论，并就项目推进实施方案达成一致。
　　本次启动会采用线上线下结合方式进行，会议由中国科学院院士、清华大学南策文教授主持，中国科学院院士、我校校长张清杰致欢迎辞。在实施方案咨询审议会阶段，我校麦立强教授作为项目负责人从重大需求与变革性技术、研究目标与考核指标、研究内容与创新点等方面作总体汇报。吉林大学冯晶教授、清华大学林琳涵副教授、武汉理工大学王学文教授、武汉理工大学徐林教授等各课题负责人或代表就项目主要内容与技术路线、考核指标与成果、实施计划以及当前研究进展进行专项汇报。
　　在听取报告后，项目专家组组长、东北师范大学校长刘益春教授代表专家组作总结发言，对项目通过飞秒光场调控制备新型柔性电子材料及器件的总体实施方案进行了客观评价和充分肯定，并对项目的后续具体实施工作提出许多建设性意见和建议。清华大学南策文院士、南京工业大学王建浦教授担任专家组副组长，咨询专家包括清华大学成会明院士、南京大学邹志刚院士、北京科技大学张跃院士、中科院化学所李永舫院士、浙江大学邱建荣教授和华南理工大学彭俊彪教授。
　　据悉，《中国制造2025》和“十三五”规划等将柔性显示技术上升为国家电子信息崛起战略的一部分，将新型显示产业列为重点发展的产业之一。柔性电子是材料、信息和能源等领域高度交叉融合产生的颠覆性产业。本项目提出利用飞秒光场构建高效柔性自供能光伏-储能-发光一体化器件研究思路，拟解决有机发光外量子效率低、钙钛矿大面积均匀成膜困难、柔性器件多功能集成困难等重大难题，为我国发展柔性电子材料与器件制备提供了变革性思路与技术。
　　来源：材料科学与工程学院　通讯员：罗雯　摄影：潘雪雷　审稿人：麦立强

固态锂电池（SSLBs）因其高安全性和高能量密度而受到广泛关注。然而，SSLBs中的离子导电性和界面问题仍然是需要克服的两个主要困难。固态锂电池正极周围不同界面之间的固-固界面接触不良，甚至界面化学反应均会阻碍电池的正常运行。就正极/固态电解质（SSE）界面而言，一个主要问题是不良的物理固-固接触，这会导致界面阻抗增加、锂离子传输效率降低。在几个循环后，正极材料会发生体积膨胀/收缩，从而导致界面分离。另一个问题是正极/固态电解质界面之间电化学不稳定，特别是在具有硫化物固态电解质的SSLBs中，复杂的副反应显著降低了界面相容性，电解质降解后形成的副产物将大大增加电池的阻抗。除了正极/固态电解质界面以外，本体正极材料的内部界面是另一个瓶颈，SSLBs正极中的粒子之间的间隙无法像液体电解液体系中一样得到有效润湿，正极内部缺乏连续快速的锂离子传输通道。因此，如何构造高效、稳固的正极/固态电解质界面是固态锂电池发展的巨大的挑战。

        为实现电极/SSE界面之间的良好兼容性，研究人员采用人工缓冲层来优化SSLBs中的界面。它们可以提供稳定的界面，改善物理接触和化学/电化学稳定性。在过去的几年中，关于涂层修饰电极/SSE界面的相关研究已经有了大量的报道，并取得了很大的成功。但在电极/SSE之间构建良好的界面接触和布置电子/离子传输通道仍然是一个巨大的挑战。纳米线（NW）材料的柔韧性可以有效缓解电极材料在循环过程中体积膨胀引起的界面压力，并作为固态聚合物材料中的添加剂为快速离子传导提供直接途径。对于正极材料，钒氧化物因其较高的理论容量而被认为是各种电池系统富有前景的电极材料，也被用作SSLBs的正极材料。
        武汉理工大学麦立强教授、徐林教授设计了一种具有梯度聚合物界面的复合纳米线正极以用于SSLBs，相关结果以题为“Flexible Nanowire Cathode Membrane with Gradient Interfaces and Rapid Electron/Ion Transport Channels for Solid‐State Lithium Batteries”发表在《Adv. Energy Mater.》（DOI：10.1002/aenm.202100026）上。在这种独特的梯度正极中，两个聚氧化乙烯（PEO）梯度分布界面被构造成两个表面的界面缓冲层。具有较多离子导电聚合物的一侧表面提供与SSE的平滑接触，而具有较多电子导电性H2V3O8 NWs/rGO的另一侧超薄层作为集流体提供快速的电子传输。此外，内部NW正极材料被rGO和PEO基固态聚合物电解质（SPE）均匀包覆，这种强结合使正极/SSE之间的点对点接触变为大面积接触，从而为快速电子/离子传输提供了连续通道，并改善了结构稳定性。聚合物固态电解质填充了正极的所有间隙，提高了集成正极的结构强度。由于正极/SSE、正极/集流体和正极内部结构的界面工程，这种新型梯度NW正极膜具有较高的Li+扩散效率、较低的阻抗、优异的循环性能和稳定性。因此，这种新型梯度界面工程设计为解决SSLBs中的固-固界面问题开辟了一条新的途径。

过渡金属硫属化合物（TMDs）是典型的二维材料，具有可调控的物理化学特性。超薄的TMD材料已在电子器件、传感器、催化和能量存储等领域中进行了广泛地研究。超薄TMD的制备研究主要集中在两个领域，即“自上而下”的剥离方法和“自下而上”的化学气相生长。前一种方法使用剪切力通过机械方法或离子/分子插入来破坏层间范德华力相互作用，而后一种方法则基于化学气相沉积。尽管剥离的方法可以获得高质量的二维晶体，但大规模的剥离仍具有挑战性，并且需要较长时间。化学气相合成可以实现具有可控厚度的大规模二维TMDs，同时需要高温和精确的条件，并且会引入大量的晶体缺陷。因此，快速而温和的方法来实现原子层厚度的TMDs制备仍然是一个重要的问题。

       武汉理工大学麦立强教授和罗雯博士针对这一问题以二硫化钼为模型进行了系统研究：利用电化学氧化剥离的新策略将硫化钼快速地转变为原子层厚度的堆叠结构，并且通过基于单片MoS2电化学器件和拉曼光谱原位观测了电化学剥离的反应途径。相关结果发表在Advanced Functional Materials（DOI: 10.1002/adfm.202007840）上。
        近年来，研究人员报道了利用与硫属元素蒸气反应将非范德华块状晶体转变为二维TMDs，以及光致剥离方法实现块体到单层TMD的转变。然而这些方法存在需要高的反应温度或者材料的利用率较低的问题，高效的剥离方法依然是重要的难题。除此之外，剥离机理的探索也是另一个关键问题。传统剥离的研究缺乏动态观察手段，无法实现同一片材料剥离前后的对比。因此开发和建立二维TMD系统研究模型对于二维材料的研究和应用非常重要。该研究团队基于单片硫化钼器件、原位的光学显微镜和拉曼光谱实现了对单个硫化钼薄片的电化学剥离的原位观测，发现在硫酸锌溶液中，施加一定的阳极电势即可快速的发生横向的电化学氧化反应，使得块材MoS2迅速转变为超薄的硫化钼片层。并且与以前的蚀刻和腐蚀方法不同，这是一个选择性的过程，可以使均匀的双层/三层MoS2形成自堆叠的2D通道。并且该方法得到的特殊堆叠结构的硫化钼也获得了优异的电催化析氢性能和高的表面增强拉曼活性（1.15×105增强因子）。研究者相信，此项研究中提出的电化学剥离的策略以及获得的原子层厚度堆叠的MoS2对于二维材料在限域催化、纳米流体和量子器件的研究具有重要的意义。

11月3日，何梁何利基金2020年度颁奖大会在北京钓鱼台国宾馆举行。中共中央政治局委员、国务院副总理刘鹤出席大会并讲话，全国人大常委会副委员长沈跃跃，全国政协副主席、中国科协主席万钢，科技部党组书记、部长王志刚等出席大会。2020年度共有52位科学家获奖，其中，钟南山院士和樊锦诗硏究员获科学与技术成就奖、30位科学家获得科学与技术进步奖、20位科学家获科学与技术创新奖。武汉理工大学材料科学与工程学院麦立强教授因其在储能材料及储能科学领域的贡献，荣获2020年度何梁何利基金“科学与技术创新奖”。

       麦立强教授创建了单纳米基元储能器件原位表征的普适新模型，实现单纳米基元电化学储能器件从0到1的突破，有效解决了储能器件容量衰减机制不明的关键难题;提出并发展了分级纳米结构的制备新方法，突破了不同材料晶体生长取向不同的限制，实现20余种高性能纳米储能材料的普适性制备;构建了调控电子/离子输运规律的理论体系，从理论上解决了储能器件难以同时保持高能量密度和高功率密度的国际难题，并得到验证。成果得到诺奖得主J. Goodenough和S. Whittingham等国际知名学者广泛引用和认可，被美国通用汽车、美国IBM、德国戴姆勒和德国博世等知名企业引用和跟踪研究。基于上述成果，麦立强教授受《Nature》邀请撰写题为“实时监测电池退化”的专题评述论文，荣获2019年度国家自然科学二等奖(第一完成人)和2018年度国际电化学能源大会卓越研究奖(每年全球仅授2人)等，入选英国皇家化学会会士和科睿唯安全球高被引科学家。麦立强教授进一步突破产业化关键技术，与知名企业开展了产学研合作，率先实现了新一代高性能电池的规模化制备和应用。
        何梁何利基金由香港爱国金融家何善衡、梁鉥琚、何添、利国伟于1994年创立，是目前国内规模最大的公益性科技奖励基金。基金的宗旨是通过对我国取得杰出成就的科技工作者进行奖励，营造全社会尊重知识、重视人才、崇尚科学的社会风尚，激励科技工作者勇攀科学技术高峰，促进祖国科学技术进步与创新。基金设“科学与技术成就奖”、“科学与技术进步奖”和“科学与技术创新奖”，每年评奖一次，科学与技术成就奖不超过5名；科学与技术进步奖、科学与技术创新奖总数不超过65名。（来源：科学技术发展院　编辑：原思辰）

在碱性电解水中，动力学缓慢的析氧反应（OER）是制约电解水器件整体效率的瓶颈，亟需开发具有高活性和良好稳定性的廉价催化剂。尽管在设计高效稳定的OER催化剂方面取得了一定进展，但其催化机制研究和性能评估大多在常温下开展，与工业碱性电解水（一般在50-80℃）存在差异。考虑到大多数非贵金属基析氧催化剂在氧化电位下存在重构现象，因此，研究工业参数下催化剂的重构化学及性能评估具有重要意义。

       武汉理工大学麦立强教授、吴劲松教授和中国科学技术大学倪堃博士等人，比较了析氧前催化剂在常温和工业温度下重构结果的差异性。发现钼酸镍前催化剂在较高温度（>30℃）下测试后，恢复到常温时的OER过电位会显著降低，这说明高温促进了更多催化活性相的形成，在常温仅发生表面重构的前催化剂，在工业参数下可能会发生深度重构甚至完全重构现象；发现了重构程度与重构层微结构之间的内在联系，疏松重构层是重构程度加深的重要因素；基于对重构顺序的研究，发现了刻蚀-氧化重构共作用是超小纳米内连接结构形成的关键步骤；结合原位高低温拉曼表征，揭示了热致重构催化剂的真实催化物种，提出了热致全重构机制及晶界-氧空位共同提升OER动力学机制，并强调了工业参数下评估催化性能和揭示催化机制的重要性。
       该工作以温度为例，研究了常规测试参数与工业参数下的催化剂的重构行为差异和性能评估，对催化剂的合理设计、本征催化机制及实际应用具有推进作用。相关论文在线发表在Advanced Materials (DOI: 10.1002/adma.202001136)上。

麦立强教授团队在国际知名学术期刊Advanced Materials发表题为“Engineering Oxygen Vacancies in Polysulfide-Blocking Layer with Enhanced Catalytic Ability”的研究论文。这是麦立强教授团队在深入研究高能量密度锂硫电池正极材料后，在锂硫电池隔膜修饰工程上完成的另一个重要研究成果。
　　随着全球对能源需求的不断高涨，高能量密度、高容量的储能器件已经成为能源领域关注的焦点。锂硫电池因其超高的理论容量（1675 mAh/g）和能量密度（2600 Wh/Kg），有望成为下一代储能系统的有力候选者。尽管锂硫电池已经经过几十年的研究和发展，但是锂硫电池商业化应用仍然受限于诸多因素。尤其是多硫化物的溶解及其穿梭效应，严重造成了活性物质的损失以及其与锂离子反应困难，最终导致电池容量迅速衰减，缩短电池寿命。
　　与精细复杂的锂硫电池宿主材料结构的设计相比，隔膜修饰工程被认为是一项工艺简单、可大批量制备的策略，同时对解决锂硫电池中的问题具有同样的效力。然而，为了实现最优阻隔多硫化物穿梭的能力，大多的数隔膜修饰依靠在隔膜的一侧“装备”一层厚而重的“防护墙”，以达到阻隔多硫化物穿梭的目的。然而，这种策略却忽略了一个重要事实：厚而重的修饰层不仅难以在隔膜上稳定存在，同时额外的质量增加会大大降低锂硫电池的能量密度。因此，理想的隔膜修饰工程不仅要尽可能减少修饰材料的占比，而且能有效抑制多硫化物的穿梭效应。
　　通过第一性原理计算发现，氧缺陷（OVs）的引入不仅增强了对多硫化物的吸附能力；而且因为氧缺陷位点的存在，OVs-TiO2表面的电子云密度发生变化、极性增强，提高了OVs-TiO2的离子电子电导率和催化能力。扫描透射电镜（STEM）结果表明单个OVs-TiO2纳米片的厚度仅为5 nm左右，并且呈现出完美的规则矩形结构，并通过电子能量损失谱（EELs）及电子顺磁共振波谱（EPR）等表征手段深度探究了氧缺陷的存在及其化学性质（图1）。

　　图1 OVs-TiO2及其对比样的形貌结构表征。(a-c) OVs-TiO2的STEM图像；（d, e）EELs图谱；（f）XRD图谱；（g）EPR图谱。
　　以500 nm的OVs-TiO2修饰商业化聚丙烯隔膜（OVs-TiO2@PP separator），OVs-TiO2的面载量仅为0.12 mg/cm2。在高活性物质负载的条件下，OVs-TiO2的额外比重仅为1.7%。这层薄薄的修饰层不仅保证了对多硫化物的抑制作用，而且有利于锂离子的快速通过，同时低的负载量为锂硫电池高的能量密度提供了保障。电化学性能测试表明，OVs-TiO2对多硫化物的催化转化能力，以及在容量、循环稳定性、倍率性能上相比于无氧缺陷TiO2修饰的隔膜和PP隔膜都有大幅提升和改善（图2）。尤其是在硫负载量高达7.1 mg cm-2，循环100圈以后面容量仍有5.83 mAh cm-2，为氧缺陷在其他金属氧化物中的应用提供了有力的基础。

　　图2 电化学性能测试。（a）CV曲线；（b）多扫速CV曲线；（c）对称电池测试；（d）0.5 C下的循环性能图；(e) 倍率性能图；（f）EIS图谱；（g）2.0 C下的长循环性能图；（h）高负载循环图。
　　总之，麦立强教授团队结合理论计算、结构表征及电化学性能测试，证明了在隔膜修饰中利用氧缺陷工程实现了对多硫化物有效的阻隔和催化转化。该工作为锂硫电池隔膜修饰工程的研究提供了新的方向，尤其在制备超薄隔膜修饰层的发展上，实现了高能量密度和高稳定性的锂硫电池，推动了锂硫电池在能源储存中的实际应用。
　　文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.201907444

武汉理工大学麦立强教授和徐小明博士等人在Materials Today Nano上发表了题为“Multi-electron reactions of vanadium-based nanomaterials for high-capacity lithium batteries: challenges and opportunities”的综述论文。作者首先简单回顾了钒系材料作为锂电池电极材料的发展历史，随后针对几种典型的具有多电子反应性质的钒系正极材料（V2O5、VO2(B)、LiV3O8、ε-VOPO4、Li3V2(PO4)3）和负极材料（Li3VO4和VS4），深入讨论了它们在实现多个锂离子嵌入脱出过程中的结构变化、反应机理、电化学性能、优化策略及面临的挑战等，并对最新的重要进展进行了重点介绍，最后对这类材料的发展前景进行了总结和展望。

麦立强教授主持完成的“高效纳米线储能材料与器件的制备科学和输运调控机制”项目荣获2019年度国家自然科学奖二等奖。

武汉理工麦立强Chem：循环1万次的镁离子电池正极材料

武汉理工大学麦立强课题组通过对α-V2O5进行化学改性，开发出一种层间具有Mg2+和晶格水的双层结构氧化钒（Mg0.3V2O5·1.1H2O），并将其作为镁离子电池(MIB)正极材料。预嵌入的Mg2+提供高电子传导性和优异的结构稳定性；晶格水的电荷屏蔽效应，能够实现快速的Mg2+迁移。由于Mg2+和晶格水的协同作用，Mg0.3V2O5·1.1H2O表现出优异的倍率性能和前所未有的循环寿命，在10000次循环后容量保持率为80.0％，该材料在全MIB中表现出良好的电化学性能。

Yanan Xu, Xuanwei Deng, Qidong Li, Guobin Zhang, Fangyu Xiong,Shuangshuang Tan, Qiulong Wei, Jun Lu, Jiantao Li, Qinyou An, Liqiang Mai.Vanadium Oxide Pillared by Interlayer Mg2+ Ions and Water as Ultralong-Life Cathodes for Magnesium-Ion Batteries. Chem, 2019.

DOI: 10.1016/j.chempr.2019.02.014

https://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(19)30071-3

麦立强Nano Energy：碱金属离子预嵌入的钒氧化物纳米线实现高稳定镁离子电池

可充镁电池凭借高能量密度、高安全性以及低成本等优势而成为新一代高性能二次电池的有力竞争者。然而，镁离子电池正极材料的发展受到Mg2+极化太大的限制，这会导致晶体结构的破坏以及进一步电池失效。向正极材料晶体结构中预嵌入不同的碱金属离子是提高材料电化学性能和晶体结构稳定性的有效策略。在本文中，研究人员向钒氧化物纳米线中预嵌入碱金属离子（Li+/Na+/K+）实现了稳定的镁离子储存。研究人员采用密度泛函理论对预嵌入阳离子与层状氧化物之间的相互作用进行了模拟计算。在各种嵌入化合物A-V3O8中，NaV3O8氧化物的正极材料的电化学性能在各种可逆镁电池体系中具有最优的电化学性能。

Tang H, et al. Alkali ions pre-intercalated layered vanadium oxide nanowires forstable magnesium ions storage. Nano Energy, 2019.

DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.01.053

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221128551930062X?dgcid=rss_sd_all

武理工麦立强&安琴友Nano Energy : 碱金属离子预嵌层状氧化钒纳米线及其稳定储镁行为

武汉理工大学麦立强教授、安琴友副研究员(共同通讯作者)等提出碱金属离子(Li+, Na+, K+)预嵌入以改善层状氧化钒(A-V3O8)Mg2+储存的结构稳定性，并在Nano Energy上发表了题为“Alkali Ions Pre-intercalated Layered Vanadium Oxide Nanowires for Stable Magnesium Ions Storage”的研究论文。从实验结果可以看出，随着预嵌入离子半径的增加，正极的循环性能得以提高。为了解释优化原理，作者使用密度泛函理论(DFT)计算来模拟预嵌入阳离子和层状结构之间的相互作用。在插层化合物A-V3O8(A = Li, Na, K)中，Na+预嵌入材料(NaV3O8)的电化学性能优于大多数RMB正极材料。此外，还证明了NaV3O8的反应机理。该工作证实适当碱金属离子的预嵌入是提高RMB层状正极材料电化学性能的有效策略。

综上所述，作者基于结构分析、电化学测试和DFT计算，系统地研究了碱金属阳离子(Li+, Na+, K+)预嵌入氧化钒作为镁电池的优化正极材料。用Na+预嵌入产生更稳定的层间结构，可允许Mg2+自由扩散并防止层状结构坍塌。结果表明，层状结构中适当的预嵌入离子可以提高镁电池中的Mg2+嵌入容量和循环性能。上述现象归因于层状结构和嵌入的碱金属离子之间的稳定作用。插入的离子将充当“支柱”以稳定层状空间和缓冲空间，以适应在充电和放电过程中分层结构的膨胀/收缩。这一优化策略为调节钒氧化物的扩散通道提供了一种有效且可行的方法。另一方面，首次揭示了NaV3O8在镁离子储存中的结构演变和单相反应机理，对进一步优化层状钒基材料的Mg2+储存具有指导意义。

武汉理工麦立强CM：基于单相可逆反应的VO2纳米棒用于水性Zn离子电池

由廉价的锌负极和无毒含水电解质组成的锌离子电池（ZIB）是大规模储能应用强有力的候选者。武汉理工大学麦立强课题组使用VO2纳米棒作为ZIB正极材料，通过原位技术和定性分析首次提出VO2的储锌机制为高度可逆的单相反应，并动态分析了在脱嵌过程中的晶格参数：VO2晶胞在充/放电过程中周期性地在a，b，c方向上可逆地收缩/膨胀，展示出具有三种不同晶格参数的三个阶段。VO2纳米棒展示出超稳定的ZIB电化学性能，在0.05 A g-1下有325.6 mAh g-1的高初始容量，在3.0 A g-1下循环5000次后容量保持率为86％。

Chen L, Ruan Y, Zhang G, etal. An Ultrastable and High-Performance Zn/VO2 Battery Based ona Reversible Single-Phase Reaction[J]. Chemistry of Materials, 2019.

DOI:10.1021/acs.chemmater.8b03409

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.8b03409

分级纳米线复合材料的制备科学与储能性能优化        麦立强,徐林,赵云龙,牛朝江,晏梦雨        武汉理工大学        2018年度高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）自然奖        一等奖

麦立强AEM：富缺陷软碳多孔纳米片实现快速高容量钠离子储存

软碳凭借其成本低廉、可调控层间距以及优异的电子电导性能，在摇椅式电池负极材料研究中吸引了广泛关注。然而，由于嵌钠化合物的形成，软碳对于钠离子的储存性能并不令人满意。在本文中，研究人员采用微波诱导的剥离策略，从传统的软碳材料中分离出了多孔软碳纳米片。这种软碳纳米片边缘处的微孔与缺陷共同促进了增强的动力学和额外的储钠位点。

Yao X, et al. Defect‐Rich Soft Carbon Porous Nanosheets for Fast and High‐Capacity Sodium‐IonStorage[J]. Advanced Energy Materials, 2018.

DOI: 10.1002/aenm.201803260

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.201803260

武汉理工麦立强&周亮Chem. Soc. Rev.：含硅氧化物：一类重要的锂离子电池负极材料

硅氧化物凭借其原料丰富、成本低廉、环境友好、易于合成以及高理论容量等优势，被视为高比能锂离子电池负极材料的有力候选者。然而，硅氧化物的实际应用受到其低电子电导率、高体积膨胀率和低库伦效率的限制。本综述对近年来含硅氧化物的合成及其储锂性质的研究进行了概括总结。

Liu Z, Yu Q, Zhao Y, et al. Siliconoxides: a promising family of anode materials for lithium-ion batteries[J]. Chemical Society Reviews, 2018.

DOI: 10.1039/C8CS00441B

https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2018/CS/C8CS00441B#!divAbstract

核心内容：

1. 提出了固态电池界面问题存在的挑战，并进一步强调了固态电池中界面的五个不同方面。

2. 总结了目前先进的界面表征技术，并重点列举了“和频振动光谱表征”和“单根纳米线电池表征”。

3. 总结了固-固界面相关的科学问题，并提出了展望。

作为当今信息世界动力设备的关键，可充电锂电池被认为是更清洁，更可持续的分布式能源供应的必备设备。考虑到安全性和性能以及满足21世纪电力需求的紧迫挑战，发展固态锂离子电池已迫在眉睫。制备性能良好的全固态锂电池的关键在于获得高室温离子导电率的固体电解质以及在电极与电解质之间形成良好的接触面。

大量的研究集中在制备高室温导电率的固体电解质，目前已经制备出能与液体电解质相媲美的高室温导电率的固体电解质，但固态锂电池的高倍率性能仍然较差，原因是在电极与固体电解质的界面处具有较高的阻抗。固体电解质存在与电极间界面阻抗大，界面相容性较差，同时充放电过程中各材料的体积膨胀和收缩，导致界面容易分离等问题。

有鉴于此，武汉理工大学麦立强教授、徐林教授、华中科技大学曹元成教授以及江汉大学汤舜合作，总结了固态电池发展的主要难题之一─界面问题。

            

固-固界面的挑战

对于液体电解质系统，润湿使得液体电解质能够完全渗透到电极中，从而同时促进Li+ 对电极中所有活性材料的嵌入/转化/合金化反应。电解质中的载流子浓度随着固体电解质中间相（SEI）形成期间Li+ 的消耗而降低，进一步增加了离子转移的阻力，因此阻碍了快速充放电的能力。

简而言之，固态电池与液体电池相比有四个主要挑战。首先，大多数固态电解质的离子电导率低于液体电解质的离子电导率。虽然一些硫化物电解质可以实现高离子电导率，但必须解决界面处的许多不稳定性问题。其次，与液体电解质相比，固体电解质和电极之间的界面相容性通常较差，并且在固态电池中的应用需要显著改善。

第三，锂枝晶穿透电解质在固态电池中仍然具有挑战性，即使对于具有高机械强度的陶瓷电解质也是如此。第四，尽管研究工作正在逐步阐明固体电解质和电极之间界面膜（SEI）的形成，但我们仍然没有完全了解SEI在循环过程中的微观结构，动态行为和化学反应。因此，在工作环境中提供有关电池的现场和实时信息的先进表征技术对于固态电池的进一步开发至关重要。

固态电池中的界面

1. 界面膜的形成

界面反应提供了关于界面产物（界面间）的关键信息及其对固态电池稳定性和电子性能的各种影响。使用图二中所示的能带图可以预测电解质的化学稳定性。液体和固体电解质的“窗口”可以通过最低未占分子轨道（LUMO）或导带（CB）和电解质材料的最高占据分子轨道（HOMO）或价带（VB）来确定，当电极材料的化学势（阳极的μa和阴极的μc）在LUMO-HOMO范围内时，它是热力学稳定的。

换句话说，如果μa>LUMO（或C.B.）或μc<HOMO（或V.B.），则界面不稳定，除非SEI在界面处形成为钝化层。SEI的形成已在液态电解质电池中得到广泛研究，经过仔细比较，该概念能扩展到固态电池系统。

2. 正极/无机电解质界面

与金属阳极不同，阴极材料由活性材料颗粒组成，它们与适量的固体电解质（离子导体），碳（电子导体）或粘合剂混合以增强离子和电子传输。在液体电解质电池中，液体电解质润湿阴极颗粒之间的间隙，以及电极和电解质之间的间隙；而固态电池中的固-固界面会发生物理接触，几种界面阻抗可以同时共存。其中，一种类型的阻抗是接触电阻，这是由于在循环期间界面接触不良或接触被破坏导致的，更好的接触将降低界面阻抗。

还有另一种类型的电阻是由纳米离子效应产生，纳米离子效应是在具有不同离子化学势的两个离子导体之间的界面处产生的空间电荷层。抑制纳米离子效应的一种可能方法是用薄氧化物缓冲层屏蔽硫化物，防止与阴极直接接触（图4b和4d）。在设计电极材料的成分和结构时，应仔细考虑电解质和电极之间的相容性。

3. 负极/无机电解质界面

负极主要针对金属锂，充放电循环中产生的锂枝晶成为重点研究对象。崔屹教授课题组研究了过电位对纳米级锂成核和生长的影响，结果表明，当通过高电流密度增加过电位时，尺寸小、致密且均匀的锂核可以生长。这项关于锂成核和生长的基础研究可以合理地指导锂金属负极微/纳米结构的设计和充放电条件的优化。

另外，研究表明，锂枝晶的生长取决于无机电解质缺陷尺寸和密度，而不是剪切模量和表面粗糙度的影响。缺陷/裂缝、晶界或微/纳米级孔隙通常会导致锂枝晶生长和裂纹扩展。

4. 聚合物电解质/锂金属界面

尽管目前的聚合物电解质在离子电导率方面不能与陶瓷或玻璃电解质竞争，但是在柔性电池和电子器件的开发中仍然非常需要聚合物电解质的多功能性。使用液体电解质的优点是使液体电解质-电极接触面积最大和电阻最小。这些理想的属性可以通过聚合物电解质继承，聚合物电解质还具有良好的粘性和延展性。

除了低导电性之外，聚合物电解质的另一个问题是锂枝晶形成。锂金属和聚合物之间的附着力以及聚合物的剪切模量（~GPa）对于确保有效的离子传导和长循环寿命是必要的。多年来，利用聚合物电解质的主要挑战之一是在不牺牲离子传导性的情况下提高机械性能。通过各种方法可以提高机械强度，包括增加分子量、添加取代基、交联和共聚。同时，通过添加和优化盐组分也可以增强离子电导率。

5. 粒子间的界面

通常，如果活性材料不具有高离子和电子电导率，则在固态电池的电极制造过程中必须添加离子/电子导电颗粒并与活性材料颗粒混合。因此，复合电极中的颗粒间界面也很重要。该界面包括活性材料之间的界面，以及活性材料颗粒和离子/电子导电颗粒之间的接触。

充放电期间正极颗粒的体积变化将导致复合电极中的接触失效。同时，太多电解质颗粒的存在阻碍了电子传输路径。另一方面，太多的活性正极颗粒将限制离子传输。因此，合理的微/纳米结构设计，例如采用分级构筑的离子和电子传导网络可以促进离子和电子的高效传输。

界面表征技术

1. 显微观察

与传统的液体电解质电池的微观研究不同，固态电池中的界面难以分离出来用于显微镜表征。正极-电解质界面或负极-电解质界面的截面图像更能提供令人信服的结果，但需要借助先进高级的手段才能获得清晰的界面图像。截面SEM、TEM、EDX、EELS等先进技术为固态电池界面研究提供了良好的帮助。

2. 化学成分分析

XRD长期以来被用作分析物相的标准方法，但由于XRD无法准确表征无定形相的结构，能表征化学键的XPS成为了另一种界面成分表征手段。先进的原位XPS检测技术能够检测到锂金属和无机电解质材料之间的稳定性及反应产物。NMR测试使界面处锂离子传输检测成为可能。

3. 电化学表征

循环伏安（CV）和电化学阻抗谱（EIS）两种基本的电化学检测方法能够直观地反映组装好的固态电池性能情况。通过结合使用EIS和直流极化，能成功地区分材料的电子电导率和离子电导率。通过对电压降的观测，也可以得到相应的界面信息。

4. 其他先进技术

在此，作者介绍了两种独特的表征技术：（1）和频振动光谱；（2）基于芯片的单根纳米线电池表征，旨在为固态电池界面表征提供全新的检测方法。

和频振动光谱（VSFG）已被证明是一种独特而有效的分子界面化学表征技术。具有界面特异性、高灵敏度、无真空要求等优点，实时和原位检测使VSFG能够在许多领域中实现无损表征。VSFG已应用于各种材料和界面表征，如聚合物、电极、生物膜、DNA和蛋白质，也被用于阐明锂离子电池中的SEI形成机制。

麦立强教授、徐林教授及合作者设计并组装了基于芯片的单根纳米线电池。在单根纳米线上制造了多种金属微电极，使人们能够记录单个纳米线不同部分的电导变化，从而揭示沿着纳米线的离子/电子传输特性。

研究发现包覆在单根纳米线上的多孔石墨烯不仅可以改善电子传导性，还可以在界面处保持有效的离子传输。这种改进的单根纳米线电池设计有望与新开发的微/纳米级固态电解质图案结合，以制造更先进的基于芯片的微/纳米级固态电池，以实现全面的原位表征。

总结与展望

1. 总结

在本综述中，作者提出了固态电池中的固-固界面研究面临的挑战，讨论了不同类型的固-固界面，并回顾了一系列先进表征技术。

虽然理论研究可以提供对固-固界面问题的更深入理解，但必须开发先进的表征技术以通过实验确定所需的证据。基本表征技术包括显微表征、化学成分分析和电化学表征。根据目前固态电池界面的研究进展，作者对这一研究方向提出了展望。

尽管各种先进的表征技术已成功确定了与界面相关的重要机制，但大多数都是非现场表征，不能提供足够的实时信息。因此，应利用原位/工作条件下的表征来获得对界面的组成和结构的基本理解。

2. 展望

（1）原位研究的挑战是固-固界面被嵌入固态电池中，使得难以将它们分离。因此，一方面，应考虑在微/纳米级别上暴露界面的电池模型的合理设计，以用于实验室中的高分辨率表征。另一方面，无损表征技术，如X射线计算机断层扫描（CT），非常有希望用于大规模电池模组的在线监测和分析。

（2）除了金属离子电池以外，具有更高能量密度的金属-空气和金属-硫电池也是极有潜力的固态电池。

（3）固态电池与液体电解质电池相比的一个重要优势是固态电池更有利于向微型化以及柔性发展。因此，微型固态电池与微电子电路集成有巨大的潜力。

作者简介

徐林，武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室特聘教授，入选湖北省“青年百人”计划。2013年，获得武汉理工大学材料物理与化学博士学位（师从麦立强教授、张清杰院士和Charles M. Lieber院士），2011-2013年在美国哈佛大学作为联合培养博士。博士毕业以后，先后在美国哈佛大学（2013-2016年）和新加坡南洋理工大学（2016-2017年）从事博士后研究。

主要从事纳米能源材料和纳米生物传感器研究，在Nature Nanotech., Nature Commun.,Chem, Joule, PNAS, Chem. Rev., Acc. Chem. Res., Adv. Mater.,Nano Lett.等国际知名期刊发表学术论文40余篇，论文被引用3500余次，7篇论文入选ESI 高被引论文。在分级纳米结构电化学储能材料方面的研究成果作为重要组成部分获得2014年湖北省自然科学一等奖。

曹元成，华中科技大学电气与电子工程学院强电磁工程与新技术国家重点实验室研究员，湖北省“百人计划”、武汉市“黄鹤英才”。研究领域为面向电网安全型储能电池及固态电池关键材料与器件。

麦立强，武汉理工大学材料学科首席教授，武汉理工大学材料科学与工程国际化示范学院国际事务院长，教育部“长江学者特聘教授”，国家杰出青年基金获得者，国家“万人计划”领军人才，国家重点研发计划“纳米科技”重点专项总体专家组成员。

先后在中国科学院外籍院士美国佐治亚理工学院王中林教授课题组、美国科学院院士哈佛大学Charles M. Lieber教授课题组、美国加州大学伯克利分校杨培东教授课题组从事博士后、高级研究学者研究。长期从事纳米能源材料与器件研究，发表SCI论文280余篇。主持国家重大基础研究计划课题、国家国际科技合作专项、国家自然科学基金等30余项科研项目。

获中国青年科技奖、光华工程科技奖（青年奖）、湖北省自然科学一等奖、侯德榜化工科学技术奖（青年奖）、Nanoscience Research Leader奖，入选国家“百千万人才工程计划”、科技部中青年科技创新领军人才计划，教育部新世纪优秀人才计划，并被授予“有突出贡献中青年专家”荣誉称号，享受国务院政府特殊津贴。现任Adv. Mater.客座编辑，Joule、Adv. Electron. Mater.国际编委，Nano Res.编委。

参考文献：

Xu L, Tang S, Cheng Y, et al. Interfaces in Solid-StateLithium Batteries[J].  Joule, 2018.

　5月26-27日，“创青春”2018年湖北省大学生创业大赛终审决赛和闭幕式在校举行。我院报送的参赛作品《超级纸电极及其电池产业化商业计划书》(指导老师：麦立强、郜庆路，团队成员：王选朋等)获得创业计划竞赛金奖。
　王选朋小组创立的武汉纳米客星科技有限公司，其核心产品是自主研发的一种新型超薄、超高性能、柔性的离子嵌入型化合物（简称NMO）系列超级“纸电极”，厚度仅为0.05mm。该种电极采用了在金属镍为骨架上“生长”出的新型的纳米材料，在制备上创新地采用双连续传导等技术，使得公司电池产品在高续航、轻量化、柔性以及环境友好性等方面均达到了国际领先水平。在便携电子产品、可穿戴设备等电池应用领域具有极强的竞争优势，具备可观的市场前景和较高的预期收益。公司现阶段主要通过向正极材料生产商提供电极材料改性服务获利。

武汉理工大学麦立强&徐林Chem综述：纳米线–生物界面进展：从能量转换到电生理学

纳米–生物界面（nano–bio interface）可以看作是连接无机世界和生命世界的桥梁，研究无机纳米材料与生物体在微纳尺度的能量转换与信息传递，在人工光合作用、微生物燃料电池、纳米生物电子学等领域具有广泛的应用。最近，武汉理工大学的麦立强教授（通讯作者）团队在Cell子刊Chem应邀发表了题为“Recent Advances in Nanowire–Biosystem Interface: From Chemical Conversion, Energy Production to Electrophysiology”的综述文章。武汉理工大学徐林教授和美国哈佛大学博士后赵云龙为论文共同第一作者。该综述主要从纳米线–生物界面的构筑、纳米–细菌人工光合作用将CO2转化成化学能源、微生物燃料电池、纳米线生物传感器等几个方面讨论了纳米–生物界面的设计原理与应用，最后作出了对纳米–生物界面未来发展的展望。

本文主要综述了纳米线–生物界面的设计构筑以及在人工光合作用、微生物燃料电池、纳米生物电子学等三个领域的应用及优势。针对纳米线–生物界面目前存在的问题和挑战，我们可以从以下几个方面考虑进一步优化：（1）人工光合作用纳米生物复合系统目前的瓶颈在于单位体积的生产力及生产速率，为了解决这一难题，可以通过优化纳米–生物界面来增大纳米–生物界面的有效接触面积。（2）微生物燃料电池是一种很有前景的绿色能源，但目前能量密度和功率密度还比较低。设计构筑具有高电导率的纳米线网络、进一步增强细菌和纳米线电极之间的接触有利于提高电子在纳米–生物界面的传输效率。（3）纳米线场效应晶体管能成功实现高时空分辨率的生物信号的检测，将纳米器件加工的“自下而上”和“自上而下”的优势结合起来，组装大面积的纳米线场效应晶体管阵列生物传感器，将会对复杂生物信号的高灵敏度、高分辨率探测具有重要意义。

文献信息：Lin Xu, Yunlong Zhao, Kwadwo Asare Owusu, Zechao Zhuang, Qin Liu, Zhaoyang Wang, Zhaohuai Li, Liqiang Mai*, Recent Advances in Nanowire–Biosystem Interface: From Chemical Conversion, Energy Production to Electrophysiology, Chem, 2018, DOI: 10.1016/j.chempr.2018.04.004.

文献连接：https://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(18)30172-4

武汉理工麦立强Nano energy：等离子刻蚀三氧化钼制造氧缺陷实现储锂结构稳定及可逆容量提升

每年不可再生能源消耗的增加，给资源与环境带来了巨大的压力。因此科学家们一直致力于开发新能源，包括太阳能，潮汐能，风能等。然而，这些能源在功率输出方面往往较低且不稳定，从而造成这些能源不能被直接利用。利用电化学能量存储技术来存储这些能量被认为是很好的解决手段。在典型的能量存储系统中，锂离子电池（LIBs）因其相对较大的比容量和较高的工作电压而脱颖而出，从而被广泛应用于人们的生产生活中。然而，现今商业化的LIBs比容量有限，并且在过去的几十年里，增长缓慢。为了解决这个问题，很多科学家一直致力于研发具有高容量的正极材料。α-MoO3正是这些具有高比容量的正极材料之一，这在过去几年中得到了深入的研究。然而，由于在〜2.8V发生不可逆的相变，α-MoO3的容量迅速下降。另外，低电子传导率和慢反应动力学也限制了这种材料的应用。早在2007年，武汉理工大学麦立强教授提出预锂化的办法，提升三氧化钼的结构稳定性。近期有文献表明氧空位能提高部分材料的电化学性能。

近日，武汉理工大学麦立强课题组 在α-MoO3纳米带的基础上，通过可控等离子体刻蚀制备了具有氧空位的α-MoO3-x，并将其用作LIB的正极材料。 结构表征证实经适当刻蚀（MoO3（II），氢气等离子刻蚀10分钟）后，所制备样品的范德华间隙（vdW间隙）扩大并且带隙减小，过度的刻蚀会导致材料碎裂严重且形貌破坏。电化学测试结果表明，MoO3（II）样品具有小的极化，较好的结构稳定性，更可逆的层间/层内Li存储位点以及更高的容量。综上所述，适当氧空位的引入明显减小了三氧化钼的带隙、增加了其范德华层间距，提高了材料的电子及离子电导率，因此提高了材料的容量（可逆性），倍率性能和循环稳定性。麦立强教授为本文通讯作者，文章共同第一作者为张国彬和熊腾飞。该文章“α-MoO3-x by Plasma Etching with Improved Capacity and Stabilized Structure for Lithium Storage”发表在国际顶级期刊Nano Energy上（影响因子：12.343）。