UCSD能源技术及材料科学与纳米工程孟颖教授工作简介

加利福尼亚大学圣迭戈分校（UCSD），是位于在美国加州圣迭戈市北郊拉荷亚（La Jolla）地区的一所世界顶尖研究型大学，在多家主流大学排名中长年稳居世界前20，是国际公立大学论坛以及北美顶尖大学联盟美国大学协会成员。加州大学圣迭戈分校位列2019年软科世界大学学术排名第18位，2020年U.S. News世界大学排名第19位，2020年泰晤士高等教育世界大学排名第31位，2020年CWUR世界大学排名第27位。

孟颖 教授

孟颖，加利福尼亚州立大学圣地亚哥分校能源技术及材料科学与纳米工程教授、能源存储与转换实验室（LESC）首席研究员。于2005年取得新加坡-麻省理工联合培养微纳米系统博士学位，随后在麻省理工学院进行博士后工作。2008-2009年在佛罗里达大学任教，2009年至今在加州大学圣迭戈分校任教，并在2017年晋升为教授。曾荣获国际电池协会电池研究奖（2019年）、美国化学学会应用材料与界面青年研究者奖（2018年）、IUMRS新加坡青年科学家研究奖（2017年）、电化学学会C. W. Tobias青年研究者奖（2016）和NSF CAREER奖（2011）等。

孟颖教授的实验室主页

开发新材料以提高现有性能是21世纪的一个关键技术挑战。位于加州大学圣地亚哥分校纳米工程系的储能与转换实验室(LESC)的目标是设计和开发用于高级储能与转换应用的新型功能性纳米材料和纳米结构。把原材料转换成可用的能源和储存产生的能源。先进技术将允许更小更强大的电池，并将提供更大的能量。

孟颖课题组成员

孟颖系统考察了多种电化学储能相关材料，认为富锂正极材料、锂金属负极材料以及固体电解质将成为下一代锂离子电池的备选材料。富锂锰基层状氧化物正极材料因其具有较高的比容量而成为孟颖的研究重点之一。孟颖将X-射线相干成像技术用于研究富锂材料，发现了富锂材料结构错位与电压降之间的内在联系，并指出富锂材料的电压降在一定条件下是可逆的，这一研究结果强调了缺陷结构与富锂材料电化学性能的关系，为富锂材料的设计拓宽了道路。针对目前极具吸引力的锂金属负极、锂枝晶的沉积生长过程，孟颖做了比较系统的研究工作，提出了锂枝晶的非密实化导致的大比表面积是引起安全性问题的一大因素，并使用冷冻电镜技术对锂金属相关问题进行研究。在固体电解质方面，孟颖关注界面层的反应和结构变化，解释了界面层对固体电解质性能的影响和作用。

孟颖教授部分论文发表的期刊

孟颖教授获得的基金资助

博士工作

Li[NixLi1/3-2x/3Mn2/3-x/3]O2系列三层化合物Li[Ni1/2Mn1/2]O2（x=1/2），Li [Li1/9Ni1/3Mn5/9] O2（x=1/3）和Li2MnO3（x=0）通过电子衍射结合同步辐射X射线粉末衍射分析进行了研究。在所有三个样本中发现了面内有序，并提出了过渡金属层亚晶格上Li+，Ni2+和Mn4+的占有率的可能模型。垂直于轴的方向，层状Li [Ni1/2Mn1/2] O2和Li [Li1/9Ni1/3Mn5/9] O2晶体中的有序过渡金属层主要排列在P3112堆垛中，并带有一些C2 / m堆垛（例如abab ...）异常。相信这两个样品的锂层中的镍离子在过渡金属层的堆叠中起着重要作用。此外，电子衍射分析表明，在850°C下获得的单个Li2MnO3晶体具有至少两个不同的C2 / m堆叠序列变体（abab ...，caca ...和cbcb ...）与chex.轴共存，这与某些P3112异常堆叠的存在有关。

Y. S. Meng; G. Ceder; C. P. Grey; W.-S. Yoon; M. Jiang; J. Greger; Y. Shao-Horn, Cation ordering in layered O3 Li[NixLi1/3-2x/3Mn2/3-x/3]O2 (0 = x = 1/2) compounds. Chemistry of Materials 2005, 17 (9), 2386-2394

博士后工作

LiNi2/3Sb1/3O2是由NaNi2/3Sb1/3O2进行离子交换制得的。该材料的粉末X-射线衍射（XRD）和单晶电子衍射（通过透射电子显微镜（TEM）表明其与NaFeO2是同构的。电化学测试表明，随着循环次数的增加，锂嵌入和脱嵌的可逆容量迅速下降。实验证据和第一性原理计算都指出镍的迁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 LiNi2/3Sb1/3O2. Journal of Power Sources 2007, 173(1), 550-555

独立后的工作

锂金属负极具有很高的理论容量，但是用这种负极制造的可充电电池会出现枝晶生长和库仑效率低（电荷输出与电荷输入之比），从而阻碍了其商业化应用。惰性（“死”）锂的形成（由固体电解质中间相中的（电）化学形成的Li+化合物和电隔离的未反应的金属Li0组成）会造成容量损失和安全隐患。由于缺乏有效的诊断工具，无法定量区分固体电解质中间相中的Li+和未反应的金属Li0。光学显微镜，原位环境透射电子显微镜，X-射线显微断层照相术和磁共振成像提供了很少的化学信息的形态学观点。核磁共振，X-射线光电子能谱和低温透射电子显微镜可以区分固体电解质界面相中的Li+和金属Li0，但它们的检测范围仅限于表面或局部区域。在这里，孟颖课题组建立了滴定气相色谱分析方法，以定量未反应的金属Li0对惰性锂总量的贡献。确定未反应的金属Li0，而不是固态电解质界面中的（电）化学形成的Li+，是惰性锂和容量损失的主要来源。通过将未反应的金属Li0含量与通过低温电子显微镜（扫描和透射）观察其局部微观结构和纳米结构相结合，提出了了不同类型电解质中惰性锂的形成机理，并确定了低库仑效率的根本原因。

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

下一代高能电池的发展势头要求电解质与锂金属负极和高压正极均兼容，并且还能够在较宽的温度范围内提供高功率。在这里，我们介绍了一种基于氟甲烷的液化气电解质，并带有乙腈助溶剂和更高但实用的盐浓度。在分子动力学模拟中观察到并经实验证实的独特溶剂化结构不仅显示出+20 °C时离子电导率提高了9.0 mS cm-1，而且还显示出较高的Li迁移数（tLi+ = 0.72）。在-78至+75 °C范围内观察到优异的电导率（> 4 mS cm-1），这首次证明了在氟甲烷临界点以上的操作。液化气电解质还具有出色的Li金属稳定性，在3 mA cm-2和3 mA h cm-2的侵蚀性条件下，在200个循环中具有99.4％的高平均库仑效率。同样，即使在-60 °C的条件下，在液化气电解质中也可以看到具有理想的Li-衬底接触的密集Li沉积。归因于优异的电解质性能以及正极和负极上稳定的界面，Li金属负极和Li / NMC全电池（高达4.5 V）的性能在-60至+55 °C的宽温度范围内都能得到很好的维持。这项研究为宽温度电解质设计提供了一条途径，以使高能量密度的锂金属电池能够在-60至+55 °C之间工作。

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