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加利福尼亞大學(xué)圣迭戈分校（UCSD），是位于在美國(guó)加州圣迭戈市北郊拉荷亞（La Jolla）地區(qū)的一所世界頂尖研究型大學(xué)，在多家主流大學(xué)排名中長(zhǎng)年穩(wěn)居世界前20，是國(guó)際公立大學(xué)論壇以及北美頂尖大學(xué)聯(lián)盟美國(guó)大學(xué)協(xié)會(huì)成員。加州大學(xué)圣迭戈分校位列2019年軟科世界大學(xué)學(xué)術(shù)排名第18位，2020年U.S. News世界大學(xué)排名第19位，2020年泰晤士高等教育世界大學(xué)排名第31位，2020年CWUR世界大學(xué)排名第27位。

孟穎 教授

孟穎，加利福尼亞州立大學(xué)圣地亞哥分校能源技術(shù)及材料科學(xué)與納米工程教授、能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)室（LESC）首席研究員。于2005年取得新加坡-麻省理工聯(lián)合培養(yǎng)微納米系統(tǒng)博士學(xué)位，隨后在麻省理工學(xué)院進(jìn)行博士后工作。2008-2009年在佛羅里達(dá)大學(xué)任教，2009年至今在加州大學(xué)圣迭戈分校任教，并在2017年晉升為教授。曾榮獲國(guó)際電池協(xié)會(huì)電池研究獎(jiǎng)（2019年）、美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)應(yīng)用材料與界面青年研究者獎(jiǎng)（2018年）、IUMRS新加坡青年科學(xué)家研究獎(jiǎng)（2017年）、電化學(xué)學(xué)會(huì)C. W. Tobias青年研究者獎(jiǎng)（2016）和NSF CAREER獎(jiǎng)（2011）等。

孟穎教授的實(shí)驗(yàn)室主頁(yè)

開發(fā)新材料以提高現(xiàn)有性能是21世紀(jì)的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)挑戰(zhàn)。位于加州大學(xué)圣地亞哥分校納米工程系的儲(chǔ)能與轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)室(LESC)的目標(biāo)是設(shè)計(jì)和開發(fā)用于高級(jí)儲(chǔ)能與轉(zhuǎn)換應(yīng)用的新型功能性納米材料和納米結(jié)構(gòu)。把原材料轉(zhuǎn)換成可用的能源和儲(chǔ)存產(chǎn)生的能源。先進(jìn)技術(shù)將允許更小更強(qiáng)大的電池，并將提供更大的能量。

孟穎課題組成員

孟穎系統(tǒng)考察了多種電化學(xué)儲(chǔ)能相關(guān)材料，認(rèn)為富鋰正極材料、鋰金屬負(fù)極材料以及固體電解質(zhì)將成為下一代鋰離子電池的備選材料。富鋰錳基層狀氧化物正極材料因其具有較高的比容量而成為孟穎的研究重點(diǎn)之一。孟穎將X-射線相干成像技術(shù)用于研究富鋰材料，發(fā)現(xiàn)了富鋰材料結(jié)構(gòu)錯(cuò)位與電壓降之間的內(nèi)在聯(lián)系，并指出富鋰材料的電壓降在一定條件下是可逆的，這一研究結(jié)果強(qiáng)調(diào)了缺陷結(jié)構(gòu)與富鋰材料電化學(xué)性能的關(guān)系，為富鋰材料的設(shè)計(jì)拓寬了道路。針對(duì)目前極具吸引力的鋰金屬負(fù)極、鋰枝晶的沉積生長(zhǎng)過(guò)程，孟穎做了比較系統(tǒng)的研究工作，提出了鋰枝晶的非密實(shí)化導(dǎo)致的大比表面積是引起安全性問(wèn)題的一大因素，并使用冷凍電鏡技術(shù)對(duì)鋰金屬相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行研究。在固體電解質(zhì)方面，孟穎關(guān)注界面層的反應(yīng)和結(jié)構(gòu)變化，解釋了界面層對(duì)固體電解質(zhì)性能的影響和作用。

孟穎教授部分論文發(fā)表的期刊

孟穎教授獲得的基金資助

博士工作

  Li[Ni_xLi_1/3-2x/3Mn_2/3-x/3]O₂系列三層化合物L(fēng)i[Ni_1/2Mn_1/2]O₂（x=1/2），Li [Li_1/9Ni_1/3Mn_5/9] O₂（x=1/3）和Li₂MnO₃（x=0）通過(guò)電子衍射結(jié)合同步輻射X射線粉末衍射分析進(jìn)行了研究。在所有三個(gè)樣本中發(fā)現(xiàn)了面內(nèi)有序，并提出了過(guò)渡金屬層亞晶格上Li⁺，Ni²⁺和Mn⁴⁺的占有率的可能模型。垂直于軸的方向，層狀Li [Ni_1/2Mn_1/2] O₂和Li [Li_1/9Ni_1/3Mn_5/9] O₂晶體中的有序過(guò)渡金屬層主要排列在P3112堆垛中，并帶有一些C2 / m堆垛（例如abab ...）異常。相信這兩個(gè)樣品的鋰層中的鎳離子在過(guò)渡金屬層的堆疊中起著重要作用。此外，電子衍射分析表明，在850°C下獲得的單個(gè)Li₂MnO₃晶體具有至少兩個(gè)不同的C2 / m堆疊序列變體（abab ...，caca ...和cbcb ...）與c_hex.軸共存，這與某些P3₁12異常堆疊的存在有關(guān)。

Y. S. Meng; G. Ceder; C. P. Grey; W.-S. Yoon; M. Jiang; J. Greger; Y. Shao-Horn, Cation ordering in layered O3 Li[Ni_xLi_1/3-2x/3Mn_2/3-x/3]O₂ (0 = x = 1/2) compounds. Chemistry of Materials 2005, 17 (9), 2386-2394

博士后工作

  LiNi_2/3Sb_1/3O₂是由NaNi_2/3Sb_1/3O₂進(jìn)行離子交換制得的。該材料的粉末X-射線衍射（XRD）和單晶電子衍射（通過(guò)透射電子顯微鏡（TEM）表明其與NaFeO₂是同構(gòu)的。電化學(xué)測(cè)試表明，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，鋰嵌入和脫嵌的可逆容量迅速下降。實(shí)驗(yàn)證據(jù)和第一性原理計(jì)算都指出鎳的遷移是容量保持率低的原因。

X. Ma; K. Kang; G. Ceder; Y. S. Meng, Synthesis and Electrochemical Properties of Layered LiNi_2/3Sb_1/3O₂. Journal of Power Sources 2007, 173(1), 550-555

獨(dú)立后的工作

  鋰金屬負(fù)極具有很高的理論容量，但是用這種負(fù)極制造的可充電電池會(huì)出現(xiàn)枝晶生長(zhǎng)和庫(kù)侖效率低（電荷輸出與電荷輸入之比），從而阻礙了其商業(yè)化應(yīng)用。惰性（“死”）鋰的形成（由固體電解質(zhì)中間相中的（電）化學(xué)形成的Li⁺化合物和電隔離的未反應(yīng)的金屬Li⁰組成）會(huì)造成容量損失和安全隱患。由于缺乏有效的診斷工具，無(wú)法定量區(qū)分固體電解質(zhì)中間相中的Li⁺和未反應(yīng)的金屬Li⁰。光學(xué)顯微鏡，原位環(huán)境透射電子顯微鏡，X-射線顯微斷層照相術(shù)和磁共振成像提供了很少的化學(xué)信息的形態(tài)學(xué)觀點(diǎn)。核磁共振，X-射線光電子能譜和低溫透射電子顯微鏡可以區(qū)分固體電解質(zhì)界面相中的Li⁺和金屬Li⁰，但它們的檢測(cè)范圍僅限于表面或局部區(qū)域。在這里，孟穎課題組建立了滴定氣相色譜分析方法，以定量未反應(yīng)的金屬Li⁰對(duì)惰性鋰總量的貢獻(xiàn)。確定未反應(yīng)的金屬Li⁰，而不是固態(tài)電解質(zhì)界面中的（電）化學(xué)形成的Li⁺，是惰性鋰和容量損失的主要來(lái)源。通過(guò)將未反應(yīng)的金屬Li⁰含量與通過(guò)低溫電子顯微鏡（掃描和透射）觀察其局部微觀結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)相結(jié)合，提出了了不同類型電解質(zhì)中惰性鋰的形成機(jī)理，并確定了低庫(kù)侖效率的根本原因。

Chengcheng Fang, Jinxing Li, Ying Shirley Meng et al. Quantifying inactive lithium in lithium metal batteries. Nature, 2019, 572, 511–515.

  下一代高能電池的發(fā)展勢(shì)頭要求電解質(zhì)與鋰金屬負(fù)極和高壓正極均兼容，并且還能夠在較寬的溫度范圍內(nèi)提供高功率。在這里，我們介紹了一種基于氟甲烷的液化氣電解質(zhì)，并帶有乙腈助溶劑和更高但實(shí)用的鹽濃度。在分子動(dòng)力學(xué)模擬中觀察到并經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)的獨(dú)特溶劑化結(jié)構(gòu)不僅顯示出+20 °C時(shí)離子電導(dǎo)率提高了9.0 mS cm^-1，而且還顯示出較高的Li遷移數(shù)（tLi⁺ = 0.72）。在-78至+75 °C范圍內(nèi)觀察到優(yōu)異的電導(dǎo)率（> 4 mS cm^-1），這首次證明了在氟甲烷臨界點(diǎn)以上的操作。液化氣電解質(zhì)還具有出色的Li金屬穩(wěn)定性，在3 mA cm^-2和3 mA h cm^-2的侵蝕性條件下，在200個(gè)循環(huán)中具有99.4％的高平均庫(kù)侖效率。同樣，即使在-60 °C的條件下，在液化氣電解質(zhì)中也可以看到具有理想的Li-襯底接觸的密集Li沉積。歸因于優(yōu)異的電解質(zhì)性能以及正極和負(fù)極上穩(wěn)定的界面，Li金屬負(fù)極和Li / NMC全電池（高達(dá)4.5 V）的性能在-60至+55 °C的寬溫度范圍內(nèi)都能得到很好的維持。這項(xiàng)研究為寬溫度電解質(zhì)設(shè)計(jì)提供了一條途徑，以使高能量密度的鋰金屬電池能夠在-60至+55 °C之間工作。

Y. Yang, Y. Yin; D. M. Davies; M. Zhang; M. Mayer; Y. Zhang; E. S. Sablina; S. Wang; J. Z. Lee; O. A. Borodin; C. S. Rustomji; Y. S. Meng, Liquefied Gas Electrolytes for Wide-Temperature Lithium Metal Batteries. Energy Environ. Sci., 2020. DOI: 10.1039/D0EE01446J

 撰稿人：zhuangzil