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【能源】固溶体或金属间化合物，论锂金属电池中锂合金化反应的相依赖性

时间：2023-11-17 来源： 浏览：

【能源】固溶体或金属间化合物，论锂金属电池中锂合金化反应的相依赖性

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高能量密度的锂离子电池对于推动大规模交通电气化至关重要。在这一背景下，通过电化学合金反应与锂离子发生反应的电极材料，如硅 ( Li 4.4 Si, 4200 mAh g –1 )、铝 ( Li 1.0 Al, 993 mAh g –1 )、锡 ( Li 4.4 Sn, 990 mAh g –1 )、镁 ( Li 1.95 Mg, 2205 mAh g –1 ) 和银 ( Li 2.7 Ag, 670 mAh g –1 ) 等，自从20世纪70年代以来一直备受关注。然而，相变特性对于两类合金，即固溶体和金属间化合物，之间的热力学性质和扩散动力学机制的影响仍然不完全清楚。
近日，来自 中国科学技术大学 的 季恒星 教授和 金松 特任副研究员，在国际知名期刊 Journal of the American Chemical Society 上发表文章，研究了三种代表性的锂合金：具有广泛固溶区域的Li-Ag合金、具有极窄锂原子浓度范围内的金属间化合物和固溶体相的Li-Zn合金以及金属间化合物的Li-Al合金。 固溶体相的相变能垒要低得多，远低于金属间化合物，因此导致了更高的锂合金化/去合金化可逆性和循环稳定性，这是由于在固溶体相内部形成了微妙的结构变化和化学势梯度。 本文的研究结果为二次金属电池元件的智能设计提供了重要的指导。

图1. 三种合金的电化学表现和锂化行为
文章选择了三种基于二元相图的代表性锂基合金系统：一种是Li-Ag合金，具有富锂固溶相，延伸至锂金属；另一种是Li-Zn合金，具有极窄的锂原子浓度窗口的固溶相（49至50 at%，）；最后一种是Li-Al合金，基本只包含金属间化合物相。三种合金的电化学性能和沉积行为有明显差异。其中固溶相的锂银合金实现了循环后均匀的元素分布并且有着优异的电化学性能。

图2. 固溶体和金属间化合物的金属原子扩散动力学
研究发现，Li-Al和Li-Zn在合金化/去合金化反应中的有限可逆性主要是由于金属间化合物的晶体结构变化所关联的相变能垒较高。相比之下，Li-Ag合金由于在锂合金化/去合金化过程中具有微妙的结构变化的宽固溶相区域，具有出色的合金化反应可逆性。扩散动力学的分析揭示了固溶合金相中金属原子迁移的低活化能障碍，这是由固溶相内部合金晶粒内建立的化学势梯度驱动的。然而，金属间化合物的合金晶粒中由于其确定的化学计量比，没有这样的化学势梯度。固溶相的微妙结构变化和化学势梯度促进了金属原子的相互扩散，从而实现了高度可逆的合金化/去合金化过程。
这一成果近期发表在 Journal of the American Chemical Society 上，文章的共同第一作者是中国科学技术大学的博士研究生 叶亚东 和博士后 谢焕玉 ，共同通讯作者是中国科学技术大学的 季恒星 教授和 金松 特任副研究员。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Solid-Solution or Intermetallic Compounds: Phase Dependence of the Li-Alloying Reactions for Li-Metal Batteries
Yadong Ye, HuanYu Xie, Yinghui Yang, Yuansen Xie, Yuhao Lu, Jinxi Wang, Xianghua Kong, Song Jin*, and Hengxing Ji*
J. Am. Chem. Soc ., 2023 , DOI: 10.1021/jacs.3c08711
季恒星教授简介
季恒星教授简介：中国科学技术大学教授；2003年在中国科学技术大学应用化学系取得学士学位，2008年在中国科学院化学研究所取得博士学位；2008至2010年在德国莱布尼茨固态与材料研究所任洪堡学者，2010年至2013年在美国德克萨斯州大学奥斯汀分校从事博士后研究，2013年8月加入中国科学技术大学化学与材料学院任教授、博士生导师；2018年获中组部“青年拔尖人才计划”资助，2021年获得国家杰出青年基金资助；担任 J. Energy Chem.、Chinese Chem. Lett. 、《电化学》杂志编委，中国化学会和国际电化学会会员；长期从事能源电化学研究，作为第一或通讯作者在 Science、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Nat. Commun.、Adv. Mater. 等学术期刊发表系列研究结果；获得中国化学会电化学青年奖、中国科学院优秀导师奖、 Nano Research 新锐科学家奖等荣誉，研究成果入选教育部中国高校十大科技进展。
https://www.x-mol.com/university/faculty/64111
中国科大季恒星教授课题组诚聘博士后和研发工程师
中国科学技术大学化学与材料科学学院季恒星教授课题组长期从事能源化学、材料物理化学研究，致力于锂离子电池、锂金属电池的电化学原理、关键材料和电极结构设计，以及关键材料的规模化制备技术研究。课题组成立以来，在 Science、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Nature Commun. 等发表学术论文多篇，申请发明专利多项，研究成果入选“2020年度中国高校十大科技进展”。因研究工作需要，招聘博士后和研发工程师。
研究方向
快充高安全锂电池、金属锂电池、负极材料。
岗位职责
1）博士后：从事能源化学、材料物理化学研究和技术开发；2）研发工程师：从事电极材料规模制备、锂电池工艺开发。
职位要求
博士后：1）已获得博士学位且获得学位的年限不超过3年，身体健康，品学兼优；2）潜心学术、乐于创新，可独立完成国家和企业科研项目所要求的内容，形成引领性研究成果。3）团队精神、合作意识强，沟通、协调能力好，具有强烈社会责任感的青年人才；4）具有英文写作、交流能力；
研发工程师：1）具有本科及以上学历、身体健康、品行端正，有电池技术研发经历者优先；2）责任心强、工作认真、勤于思考、动手能力强；具有团队精神、乐于沟通、善于学习。
福利待遇
按照中国科学技术大学聘用规定享受相关待遇。其中，博士后可享受（http://employment.ustc.edu.cn/cn/indexinfo.aspx?sign=120（请复制链接至浏览器打开））：1) 学校基础薪资（14万）加课题组绩效奖励，综合年薪可达20万以上；2) 优秀者可以申请合肥微尺度物质科学国家研究中心杰出博士后（税前52万元人民币）、优秀博士后（税前34万元人民币）或者中国科学技术大学墨子杰出青年特资津贴（税前25万元人民币）。3) 学校为博士后办理社会保险（基本养老保险、失业保险、基本医疗保险及医疗救助保险、工伤保险、生育保险）和住房公积金。4) 学校为博士后提供两室带全套家具的周转房。对不要求安排人才公寓住房者发放租房补贴，补贴标准由学校统一制定。5) 博士后进站，子女可在科大附属幼儿园、附小、附中就学，免交赞助费。幼儿园为孩子每日提供“三餐一点”（早、中、晚三餐和下午一次点心），免除家庭的后顾之忧。6) 博士后期满考核优秀者，可申请学校的“特任副研究员”岗位。
申请材料
1）个人简历；2）毕业证书、学位证书复印件或应届毕业生证明；3）其他证明材料扫描件。材料发送至： llq@ustc.edu.cn ，并抄送： jihengx@ustc.edu.cn
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