纳米人编辑部对2019年国内外重要科研团队的代表性重要成果进行了梳理，今天，我们要介绍的是斯坦福大学崔屹教授。崔屹教授主要研究领域集中在能源存储与转化、纳米显微技术、纳米环保技术、纳米生物技术、先进材料的合成与制造等等。以纳米技术为核心，多学科交叉，多方向并进是崔屹教授课题组研究的重要特点。尤其是在电池纳米技术领域的研究，崔屹教授团队长期以来引领国际研究前沿方向。近年来，崔屹教授课题组主要活跃在以下几个研究领域：值得一提的是，2019年，崔屹教授团队利用冷冻电镜，实现了对锂电池热管理、SEI等方面更深层次的机理认识。同时，团队也持续在锂金属负极发力，并更多地开始集中于固态电池的研究。有鉴于此，我们简要总结了崔屹教授课题组2019年部分研究成果，供大家交流学习。1）由于相关论文数量较多，本文仅限于段教授作为通讯作者的论文（不包括序言、短篇评述等），以online时间为准。如有遗漏，欢迎留言补充。2）由于学术水平有限，所选文章及其表述如有不当，敬请批评指正。3）由于篇幅限制，部分成果未列入编号，仅以发表截图展示。Part Ⅱ 固态电池
Part Ⅲ 锂金属负极
Part Ⅳ SEI
PartⅤ 热管理
PartⅥ 其他
1. 给钙钛矿拍高分辨TEM到底有多难？丨Joule近年来，有机无机杂化钙钛矿材料由于其独特的光电性能在光伏领域引起了广泛的关注。短短几年内，钙钛矿太阳能电池的光电转换效率已从最初的3.8%提高到了25.2%。然而钙钛矿材料在环境中（例如紫外线或水汽）暴露时的不稳定性问题依然是钙钛矿太阳能电池商业化的一大阻力。此外，该材料在电子束照射下的不稳定性使得利用透射电子显微镜（TEM），这一材料学领域原子级别表征利器，对其进行研究变得极为困难。之前常用的表征手段都被限制于低空间分辨率的中子散射，X射线衍射，以及TEM选区电子衍射。如何获得有机杂化钙钛矿材料，尤其是甲胺碘化铅钙钛矿（MAPbI3）的高分辨TEM影像，进而从纳米及原子尺度研究该材料的不稳定分解过程成为了该领域一个亟待解决的问题。有鉴于此，斯坦福大学崔屹教授与WahChiu（趙華）教授团队首次将获冷冻电镜技术运用到了对钙钛矿材料结构以及其在环境中暴露时分解机理的表征中。与之前的常规TEM相比，研究人员发现Cryo-EM不仅可以成功的防止在常规TEM进样过程中，由短暂的空气暴露所引起的钙钛矿分解，还可以成功阻止甲胺分子在电子显微镜高真空环境下的逃逸，并提高钙钛矿材料对破坏性电子束的耐受程度。得益于这种技术，研究人员首次获得了MAPbI3 纳米线的原子分辨率图像。并且，研究人员利用急冻方法，稳定并在纳米尺度捕捉到了钙钛矿材料在紫外线与水汽中暴露时的分解过程，为探索如何提高钙钛矿材料的稳定性提供了重要的线索和方法。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. 升高温度可提高锂金属电池循环性能丨NatureEnergy了解枝晶的形成过程和机理，是实现高能量密度和安全锂金属电池的关键。长期以来，与具石墨负极的锂离子电池相比，锂金属电池通常表现出较差的循环性能，较窄的操作温度范围和更严重的安全问题。为了解决这些问题，研究人员开辟了大量的策略，包括采用牺牲剂，通过固态或聚合物电解质来稳定电解质配方、界面工程等等。这些策略虽然一定程度上可以抑制锂枝晶形成，以提高电池性能，但是在重复的电化学电镀和剥离过程中可能无法完全避免。在电池循环期间，枝晶生长也变得复杂，化学和电化学反应不断改变固体电极-电解质界面（SEI）的组成。由于所有这些过程都发生在封闭系统中，因此SEI和树枝状结构的表征成为真正的挑战。有鉴于此，斯坦大学崔屹课题组及其合作者通过冷冻电镜揭示了枝晶的生长机理，并发现升高温度可以改善电池的循环性能。一般认为，当使用高反应性锂金属作为负极时，升高温度会增强副反应，导致循环性能更差。而崔屹团队则展示了在高温条件下工作的锂金属电池的增强性能。在60 ℃的基于醚的电解质中，他们获得了99.3％的平均库仑效率，并且实现了超过300个稳定循环。但是在20 ℃下，库仑效率在75个循环内急剧下降，平均库仑效率为79.9％。团队进一步证明，使用LiFePO4 / Li电池进行快速充电，没有任何明显的安全问题，这种高温条件下的优异行为归因于理想的SEI纳米结构。冷冻电镜揭示，在60°C时出现完全不同的固体电解质界面纳米结构，可有效保持力学稳定性，抑制连续的副反应，并保证良好的循环稳定性和低电化学阻抗。此外，在升高的温度下，生长的较大锂颗粒减少了电解质/电极界面面积，降低了每次循环过程中的锂损失，并且实现了更高的库仑效率。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. 冷冻电镜护航，褶皱石墨烯笼实现高容量锂金属负极丨Nano Letters金属锂负极被认为是负极化学中的“圣杯”，但其实际应用中往往发现库伦效率太低，安全性也存在诸多问题。有鉴于此，斯坦福大学崔屹课题组介绍了一种新型褶皱石墨烯笼载体（WGC）用于金属锂负极。与以往报道的无定形碳球不同，WGC的机械稳定性得到了提高、具有更高的离子电导率和卓越的固态电解质界面保护（SEI）。在低面积容量下，金属锂优先沉积在石墨烯笼的内部。冷冻电镜表征发现，WGC表面均匀稳定的SEI膜界面可以防止金属锂与电解液的直接接触。随着面容量的增加，金属锂会致密均匀地沉积在石墨烯笼之间的孔隙中且无枝晶生长。因此，在商品化碳酸酯电解液中在0.5Ma/cm2和1-10mA/cm2的电流密度下能够实现高达98.0%的库伦效率。采用预嵌锂的WGC与LFP电极匹配的全电池能够保持良好的循环稳定性。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，人们对更高能量密度的电池需求越来越大，另一方面，控制电池失效的原子尺度机制并不为人所知。虽然人们普遍认为，电池性能的衰减和失效与SEI密切相关，但具体原因并不清楚。有鉴于此，斯坦福大学崔屹团队及其合作者使用冷冻电镜，从原子水平为我们揭示了SEI界面的反应性和敏感性电池材料。研究发现了两种不同的SEI纳米结构（即镶嵌型SEI和多层型SEI），SEI纳米结构的细微变化将为电池带来的显著的性能提升。在镶嵌型SEI中，高结晶度区域会发生局部Li溶解，而对于更有序的多层型SEI中，Li剥离则更加均匀，这将导致在电池循环期间，Li流失量增加三个数量级。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. 又薄又柔的固态电解质丨NatureNanotechnology锂离子电池是当今电池世界的霸主，随着对能量密度越来越高的要求，采用金属锂负极成为大势所趋，而金属锂负极进一步增加了电池安全风险。解决电池安全性能的重要任务，就这样落到了全固态锂电池的肩上。为了获得与基于液体电解质的锂电池相当的能量密度，固体电解质需要具有高离子电导率、力学强度好、不可燃、化学稳定性等特性。然而，用于液体电解质的商业聚合物电解质隔板厚度仅有10 μm左右，如果采用如此薄的固体电解质势必会极大地增加电池短路的风险。有鉴于此，斯坦福大学崔屹课题组报道了一种聚合物-聚合物复合电解质，他们将8.6um厚的纳米多孔的PI用PEO/LiTFSI电解质进行填充，得到了可用于锂电池的超薄、柔性聚合物复合固体电解质，可以确保全固态锂离子电池的安全性能。不燃且机械稳定的PI膜能够保证电池在循环超过1000h的情况下不发生短路，且垂直的孔道增强了电解质的离子电导率。基于此电解质的全固态锂电池在高温下循环性能优异且通过了一系列安全测试。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电池体系丨Joule由于固态锂金属和液态有机电解液的使用，导致锂硫和锂硒电池在实际的使用过程中出现以下问题：1)由于多硫化锂和多硒化锂在液态有机电解液中的穿梭效应和溶解，导致电池循环稳定性差以及库伦效率低; 2) 使用的液态有机电解液具有易燃等特点导致电池安全性差，无法实际大规模应用; 3)锂枝晶的产生和与电解液的副反应导致金属锂负极的持续消耗。除此以外，硫和硒正极在充放电的过充中会产生体积膨胀导致正极材料的颗粒粉化和从集流体上脱落，使电池容量衰减。以上这些问题都严重影响锂硫电池和锂硒电池的进一步商业化应用。有鉴于此，斯坦福大学崔屹教授团队及其合作者研发出一种高能量密度基于固态陶瓷电解质的熔融液态锂-硫和锂-硒电池（分别简称SELL-S和SELL-Se）体系，将电池的能量密度提升到500Wh/kg以上。该电池体系以液态锂为负极，以液态S或者Se为正极，采用高致密性的Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12(LLZTO)陶瓷管作为电解质将正负极之间完全隔离开，电池运行在240oC的环境。在该运行温度下，LLZTO陶瓷管具有高的电导率，有利于电池达到高的功率密度。该体系同时具备低的能量成本和良好的电化学循环稳定性，有望应用于规模化储能等应用领域。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. 一种复合锂金属电极简单制备工艺丨ScienceAdvances高电活性表面积会降低实际电流密度，从而减轻Li枝晶的形成，但也会引发强烈的副反应和SEI形成，造成电化学性能衰减。为了使这两者达到平衡，目前已尝试将电活性区域增加到微米尺度。因此通过诸如引导成核（guided nucleation）、引导生长（guided growth）、融化注入法 (melt-infusion)等手段将锂包入三维骨架结构从而制备微尺度复合金属锂电极便成为了有效的解决方法之一。然而，上述方法均需要高成本和复杂的制造程序（涉及多步纳米合成法的引导成核需要预先以金纳米粒子作为成核种子，Li熔注需要>200°C的高温和安全预防措施），因此急需一种简单有效的微尺度复合锂电极构建策略。有鉴于此，斯坦福大学崔屹教授课题组及其合作者提供了一个简单而巧妙的思路，从锂金属独特的物理性质切入，通过简单的手工（卷绕-剪切），构建出一个具有三维阵列的立柱状高性能复合金属锂电极。作者从金属锂独特的物化性质入手，利用金属锂质软及延展性强的特点，将多孔聚乙烯膜(12微米厚)与金属锂箔(50微米厚)裁成长宽相同的细条，仔细对齐叠放，然后卷绕成一个卷轴状柱体，然后用刀片将柱体切为一片片厚度约一毫米左右的电极片。通过这种设计，多孔PE膜可以均匀地嵌入Li层之间，从而形成具有交替Li和多孔PE膜良好限定的层状结构。这种简单的卷绕-剪切(rolling-cutting)法不需要任何苛刻的实验条件及设备。Zheng Liang et al. Compositelithium electrode with mesoscale skeletonvia simple mechanical deformation,Science Advances, 2019.http://advances.sciencemag.org/content/5/3/eaau56558. 超薄离子间相构建高效锂负极丨NatureCommunications开发基于锂金属负极的高性能锂离子电池，传统碳酸盐电解质低的的库仑效率和枝晶生长仍然是亟待解决的问题。有鉴于此，斯坦福大学崔屹课题组及其合作者开发了一种超薄（≤100nm）的锂离子交联聚合物膜作为铜或锂上的涂层，这种膜由嵌入多面体低聚硅氧烷的锂交换磺化聚醚醚酮组成，可以使锂金属电池在以碳酸盐为基础的电解液中实现高效稳定的锂电镀-剥离循环。原位分析和理论模拟表明，离子交联聚合物涂层具有显著的能力，能够在相当大的锂电镀表面上实现电场均匀化。膜涂层可用作人工固体电解质界面膜（SEI）过滤器，最大程度地减少电解质-电极界面处的副反应，其可在室温和高温（50 °C）下以优异的库仑效率在铜上进行无枝晶的锂电镀-剥离循环。这表明镀膜铜是一个有前途的集流体可用于制造高质量的预镀锂薄膜负极。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. 一种可用于锂金属负极载体的内部联通隧道框架丨AEM金属锂负极长期以来一直被认为能够有效满足高比能、高功率二次电池体系的需求，但是其实际应用受到不均匀的锂沉积、不稳定的SEI膜和低库伦效率的限制。在商业水平电流密度和面容量测试条件下这些问题会被放大。在本文中，研究人员报道了一种碳化茄子状的隧道联通的金属锂负极载体（EP）。在进一步用LiF进行界面相修饰后，这种EP-LiF负极能够保持着90%的金属锂的容量，并且能够有效抑制循环过程中锂枝晶的生长和体积膨胀。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提高金属锂负极性能丨Joule随着商用锂离子电池的容量越来越接近理论值，人们急需寻找一种可靠的负极材料来替代锂离子电池中的石墨，从而进一步提高锂电池的能量密度。锂金属具有极高的（3,860 mAh/g）比容量和极低的（-3.04 V对于标准氢电极）电化学电位，成为了目前研究最火热的负极材料。然而金属锂极其活泼的天性使其非常容易和电解液中的成分反应，从而在其表面生成不均匀、易破碎的固体-电解质界面（SEI）。该界面不均匀的的锂离子传输特性导致金属锂在沉积时容易生成枝晶状结构，从而造成隔膜刺穿和短路，甚至热失控。因此，更好地调控金属锂和电解液之间的SEI层成为了改进金属锂负极性能最重要的手段之一。有鉴于此，斯坦福大学鲍哲南教授和崔屹教授团队开发了一种全新的多功能人造SEI。该SEI涂层使得金属锂负极在商业可得的碳酸酯电解液和工业量级的NMC高压正极材料中展现了极佳的性能，为锂金属电池的发展提供了借鉴意义；同时，本工作进行了大量而细致的系统性研究，阐释了该网络材料高导离子率的内在机理、动态流动性的来源、防电解液穿透特性的原理，揭示了导离子率、材料力学性能、防电解液穿透特性等性质各自对于金属锂保护的作用。A Dynamic,Electrolyte-Blocking, and Single-Ion-Conductive Network for StableLithium-Metal Anodes. https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(19)30369-1锂剥离是锂金属电池循环过程中的关键议题。大多数研究都聚焦于锂沉积，而对于亚表层的剥离行为却知之甚少。有鉴于此，斯坦福大学崔屹课题组通过可视化三电极系统和超微电极等研究手段，探索了在不同电流密度和不同液体电解质条件下锂金属负极的剥离过程，提出了两种锂剥离机制：1）钝化锂剥离；2）SEI膜击穿后点蚀。研究表明，剥离后的锂会导致金属空位的积累，最终和SEI膜之间形成纳米空隙。锂的快速溶解会加速空隙长大最终导致SEI的塌陷，即形成点蚀。研究还发现，剥离过程中锂离子在SEI膜的迁移和扩散是决定倍率的关键因素。锂表面上的不均匀位点，例如晶界和滑移线，可极大地加速锂的局部溶解。这项研究揭示了高充电电流密度下库仑效率的衰减机制，为进一步开发更高性能的锂金属负极提供了新的借鉴。Lithium metal stripping beneaththe solid electrolyte interphase. PNAS 2019.http://www.pnas.org/content/early/2018/08/02/180687811512. 无枝晶锂金属负极中温度依赖的成核与生长丨Angew发展简单高效的方法来提高高能量密度锂金属电池的电化学稳定性十分重要。在本文中，悉尼科技大学的汪国秀与斯坦福大学的崔屹教授等探讨了温度依赖的锂枝晶成核与生长行为并通过将温度从20度提升至60度构建了一种无枝晶锂金属负极。一系列原位和非原位显微手段发现温度的提高会使得锂成核尺寸增大、成核势垒降低并且生长更加致密。他们发现高温下非质子电解液中亲锂性的增强和锂离子扩散系数的增大是实现无枝晶锂沉积行为的关键。无论是全电池还是半电池，该无枝晶负极在60度下的沉积都十分致密，并且实现了高库伦效率和循环寿命。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. 局部温度热点引起的快速锂生长和短路丨Nature Communications了解影响Li金属生长的关键因素，对于开发更安全的Li金属电池至关重要。有鉴于此，斯坦福大学崔屹课题组使用激光在Li电池内部产生局部高温，通过微拉曼光谱进行温度测量，研究了局部温度热点对Li金属生长的影响，发现温度确实可能诱导电池短路。研究者发现，由于局部增强的表面交换电流密度，在温度热点上Li沉积速率，比周围较低温度区域快几个数量级，从而极大地诱导锂金属的生长。基于这一观察，研究团队进一步证明局部高温可能是导致电池短路的因素之一，光学可视化和电压- 电流测试和局部温度响应测量可以有效地支撑这一结论，温度测量平台为能量存储设备的热管理提供了新的借鉴。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. 众里寻它千百度，一种理想的快充负极材料丨Joule现有快速充电型商业锂离子电池能够达到40分钟至1小时充电至80%，但是这依然不能满足人们对电池快充性能的需求。如果将来能够实现商业锂离子电池5分钟至10分钟充电至80%及以上，电动汽车将具有与燃油车相媲美的使用体验，必将给人们的生活和工作带来极大的便利。设计高性能锂离子电池负极材料以实现快速充电性能，同时兼顾高能量密度和高安全性，是领域亟待解决的关键问题。有鉴于此，斯坦福大学崔屹教授、华中科技大学孙永明教授、清华大学王莉教授提出红磷是一种理想的负极材料，可用于实现快速充电锂离子电池，同时报道了一种红磷/碳复合材料在充电电流密度为8 C、电极片面容量为1 mAh cm-2情况下容量保持率为84% (10分钟充电至84%)。在0.2 C、3.0 mAhcm-2下，500次循环容量保持率为90%。在商业化单位面积容量载量（~3.5mAh cm-2）下，红磷/碳负极的倍率性能和容量性能特征远超传统石墨和钛酸锂负极（基于电极整体体积/质量计算）。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，还施彼身，果然是催化剂中的慕容复！催化反应是众多工业化学过程的基础。由于催化反应机理及其微观过程的复杂性，针对特定化学反应过程定向开发高活性、高选择性催化剂，是化学与材料科学长期以来的研究热点与难点。例如，在水溶液体系中利用可再生电能电化学还原CO2，生产高附加值燃料和化学品，是一种经济可行且环境友好的碳循环概念；然而，缺少高活性、高选择性、低成本的电化学还原二氧化碳反应(CO2RR)的催化剂制约了上述碳循环概念的技术实现与推广应用。对于CO2RR电催化反应，过渡族金属或后过渡族金属纳米晶催化剂暴露于反应环境的晶面取向，对其电催化活性与选择性有非常重要的影响。CO2RR催化剂纳米晶晶面取向的设计与可控制备，是该技术领域的核心问题之一。有鉴于此，斯坦福大学崔屹教授团队提出了一种“以彼之道，还施彼身”的高性能催化剂定向自选择合成新方法。通过在CO2RR催化剂合成过程中引入目标催化反应的原始反应物（CO2）或中间产物，利用这些反应物或中间产物对纳米晶不同晶面的选择性吸附效应，择优稳定与目标反应物或中间产物亲和能力较强/结合更稳定的晶面。该方法利用目标化学物种在纳米晶合成过程中对特定晶面的选择性稳定作用，择优制备对目标反应具备高活性和高选择性的催化剂，实现围绕目标化学反应过程的高性能催化剂定向自选择合成，产生了自选择催化剂（self-selective catalyst，SELF-CAT）概念，暗合斗转星移——“以彼之道，还施彼身”之法。以金属Pb为例进行说明。具体地，将金属铅从含有Pb2+阳离子的饱和CO2电解质电沉积到导电基底上。在该电沉积电位下吸附的CO2分子将被还原为极性羧基分子。这些得到的吸附的羧基基团选择性地与生长的金属晶体的特定晶面相互作用，并起到表面控制剂的作用。当作为CO2RR催化剂时，这种具有特殊形貌的金属纳米颗粒表现出更加优异的催化活性。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. 电化学修复重金属土壤污染丨Nature Communications土壤重金属污染是一个十分严峻的环境问题，然而现有土壤修复技术遇到了时间长、化学成本高、能耗大、二次污染和土壤养分流失等诸多障碍。有鉴于此，斯坦福大学崔屹教授等人报道了一种新型的基于非对称交流电化学手段的土壤修复方法，该方法能实现对不同初始浓度(100-10000 ppm)重金属(铜、铅、镉)高效快捷去除。修复结果表明，在处理过的土壤中没有观察到过多的养分流失，也没有产生次生有毒物质。经过长期试验和植物试验表明，该方法具有较高的可持续性和农业应用的可行性。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锂离子电池为便携式电子产品，电动汽车和固定式存储设备供电，已获得2019年诺贝尔化学奖。纳米材料的开发及其在电极和器件中的相关处理可以改善现有能量存储系统的性能和/或开发。斯坦福大学的崔屹，德累斯顿工业大学的冯新亮，德雷塞尔大学(费城)Ekaterina Pomerantseva, Yury Gogotsi和意大利理工学院Francesco Bonaccorso等人提供了有关纳米材料在储能设备（例如超级电容器和电池）中的最新应用的观点。纳米材料的多功能性可以为便携式，柔性，可折叠和可分配电子设备提供电源。电力运输；和网格规模的存储，以及在生活环境和生物医学系统中的集成。为了克服纳米材料因高表面积而引起的高反应性和化学不稳定性的局限性，应将具有不同功能的纳米颗粒组合在纳米和微米级的智能体系结构中。将纳米材料集成到功能架构和设备中需要开发先进的制造方法。讨论成功的策略并概述开发纳米材料的路线图，以支持未来的能量存储应用，例如为分布式传感器网络以及柔性和可穿戴电子设备供电。Energy storage: The futureenabled by nanomaterials, Science, 2019https://science.sciencemag.org/content/366/6468/eaan828518. 超级快充电池材料的四大挑战丨Nature Energy充电5分钟，通话2小时的广告语言犹在耳。然而事实上，实现这个目标困难重重，需要横跨多个层次的基础研究和技术开发，电池技术就是其中最关键的障碍之一。目前而言，由石墨负极、过渡金属氧化物正极和液态电解质组装的高能锂离子电池在电池性能和安全性方面还无法达到15 min的快充目标。这是因为，当电池以高倍率充电时，电池内部的各种极化（欧姆、浓度和电化学）将导致活性材料的有效利用受限，增加了镀锂的倾向，并产生过多的热量。有鉴于此，斯坦福大学崔屹教授团队系统总结了超级快充电池材料面临的四大挑战及其带来的机遇。研究团队从质量传递、电荷转移、热管理、表征技术四个方面阐述了分析了当前电池材料快速充电所面临的主要问题、解决方案以及未来研究方向。电池是一个精密的系统工程，一个参数的改进可能会对其他电池指标产生负面影响，因此锂离子电池技术的逐步变化需要采用整体方案。如何将许多概念验证电池设计转换为商业化产品，尤其值得思考。从长远来看，采用颠覆性电池技术，如新型电池化学和3D电池架构，以最终实现快速充电和广泛采用电动汽车，或许是不二之选。XFC是一个复杂的主题，除了本文中提出的材料挑战和解决方案之外，业界所追寻的系统级关注点和解决方案也非常重要。因此，我们呼吁行业专家分享知识和观点，以弥合科学界和产业界之间的差距，以实现快速充电共同目标。Yayuan Liu, Yangying Zhu, Yi Cui. Challengesandopportunities towards fast-charging battery materials. Nature Energy 2019.https://www.nature.com/articles/s41560-019-0405-319. 电化学储能中的纳米线丨ChemicalReviews纳米材料凭借其显著不同于体相材料或微米材料的纳米尺寸效应为电化学储能器件提供了很多独特的性质。尤其值得注意的是，受限制的维度在决定纳米材料的性质方面起到了十分关键的作用，比如离子扩散动力学，应变/应力的大小，以及活性材料的利用等性质。纳米线作为一种具有代表性的一维纳米材料，由于能够保持长轴上的电子输运，并且在直径上具有约束效应，因此在能量存储领域有着广泛的应用前景。在这篇综述中，武汉理工大学的麦立强教授与斯坦福大学的崔屹教授等对电化学储能纳米线的最新研究进展进行了系统综述，从合理的设计和合成、原位结构表征、到包括锂离子电池、锂硫电池、钠离子电池在内的能量存储中的几个重要应用。文章指出了电化学储能存在的问题和局限性以及利用纳米线解决这些问题和提高器件性能的优点。最后，作者还讨论了纳米线在储能领域应用所面临的挑战，并展示了先进的纳米线为基础的储能设备的未来发展前景。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. 聚合物为电池开疆扩土丨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年就读于哈佛大学化学系， 2003-2005年间在加州大学伯克利分校从事博士后研究工作；并于2005年加盟斯坦福大学。崔屹教授先后在Science、Nature、NatureNanotechnology、Nature Materials、Nature Chemistry、Nature Energy、Joule、JACS等世界顶级期刊发表高水平论文400余篇。
