2024年郭洪教授团队围绕高能电池与能源材料化学领域开展研究工作，主要聚焦于锂金属电池、电催化和光催化三个方向。在PNAS.、Mater. Today、Energy Environ. Sci.、Energy Storage Mater.等材料化学领域高水平期刊上发表学术论文5篇，主要代表性成果如下。
成果一：高熵工程实现三功能高效电催化
图1. 三功能电催化中高熵合金纳米颗粒复合材料的缺陷结构和电子相互作用示意图
以焦耳加热合成高熵合金纳米颗粒负载到多壁碳纳米管为例，探究高熵合金纳米颗粒在三功能电催化反应中的机理。进一步鉴定了高熵合金纳米颗粒中缺陷结构、电子相互作用和三功能电催化活性位点的适应性调节作用。高熵导致的缺陷结构，高熵和缺陷结构都会造成电子配置的改变。两者都能加快反应物的吸附速率，加速反应物在催化剂表面的扩散，促进电子的快速转移。同时，制备的高熵合金纳米颗粒具有氧还原、析氧反应和析氢反应的多功能性，在锌空气电池和电解水中具有良好的稳定性。利用原位拉曼和原位傅里叶变换红外光谱进一步证实了不同反应过程的机理。此外，理论计算结果还进一步验证了高熵合金纳米颗粒电子相互作用和活性中心的自适应调节作用。相关研究成果发表在PNAS. 2024, 13239121 (IF=9.4)。
https://doi.org/10.1073/pnas.2313239121
成果二：一种新型主客体可识别固态电解质用于实现超快离子传输动力学
图2. MOF(Ti)主体的设计原理示意图及所合成电解质的电化学性能图
构建主-客体可识别的聚合物电解质是克服其固有缺陷的一种新策略。设计引入合适的宿主MOFs材料使所获得的MOFs-GPE凝胶电解质结构具有明显的优势：①大量非氧化还原活性Ti金属中心和各种O位点协同促进Li+离子运输动力学。②有序的通道和微孔特性有助于在充放电过程中均匀的Li+离子沉积，促进稳定界面层的形成，提高循环性能。③机械强度提高、耐高压，能够与三元高镍正极相匹配实现优良性能。在这个独特的体系中，作为客体的锂盐和溶剂分子可以被宿主识别，从而减弱阳离子和阴离子的静电相互作用，降低迁移能垒，增强离子电导率，抑制锂枝晶的形成。研究发现，所合成的MOFs-GPE具有5.05 V的电化学稳定窗口，迁移数提升为0.71，离子电导率提高至1.36×10-3 S cm-1。当与LiFePO4正极匹配时，在1 C电流密度下循环500次后，其容量保持率高达98.1%。对于高容量LiNi0.9Co0.05Mn0.05O2正极，在0.5 C条件下首次放电比容量为193.7 mAh g−1，循环250次后容量保持率为71.4%。此外，通过各种原位测试同时结合DFT计算，全面分析并证实了MOF主体对电解质中Li+离子迁移的积极作用。本研究为促进Li+离子在主-客体电解质体系中的快速迁移提供了一种合理的设计策略，为开发更高能量密度的固态电池提供了理论基础。相关研究成果发表在Energy Environ. Sci., 2024, 17, 780. (IF=32.5)。
https://doi.org/10.1039/d3ee03283c
成果三：新型酰氨基功能化聚合物电解质实现超长循环寿命锂金属电池
图3. 酰氨基功能化GPE设计示意图：包括大分子结构、独特聚合物框架促进Li+传输、有利SEI/CEI成分增强界面稳定性，以及永久化学交联和分子间氢键增强GPE本体机械性能
这项研究提出了一种新的分子结构设计来构筑凝胶聚合物电解质（GPE）的聚合物框架，该策略通过引入丰富的酰氨基功能基团来构建一个具有永久化学交联和可逆氢键交联的超分子网络。这种巧妙的网络结构设计与聚合物软链段长度调节相结合，赋予了GPE较高的机械强度和柔韧性，提升了电解质抑制锂枝晶生长的能力和循环过程中界面动态适应性。独特的聚合物框架设计和分子链上丰富的极性功能基团为Li+传输提供了快速、可逆的通道。此外，有利的正负极电解质界面层组分形成也有助于增强界面稳定性。凭借更有利的锂离子传输通道和增强的界面稳定性，使用酰氨基功能化GPE组装的LFP||Li电池表现出超长循环寿命，在1 C下循环850次后容量保持率可达96.5%，LCO||Li电池在1 C下循环300次后容量保持率也高达96.8%。这项研究强调了聚合物电解质本体和界面协同调节作用的重要性，并为聚合物分子结构的合理设计提供了新见解。相关研究成果发表在Energy Environ. Sci., 2024, 17, 6739. (IF=32.5)。
https://doi.org/10.1039/D4EE02218A
成果四：构建具有纳米尖晶石相的新型超高镍正极材料
图4. 新型高镍正极材料纳米尖晶石相设计和钨的有序分布
针对传统三元材料内部结构和界面结构的不稳定，郭洪教授团队提出了一种新的原位改性策略来构建具有双钉扎效应的LiNi0.9Co0.09W0.01O2 (NCW)新型三元正极材料和Li2TiO3锂离子导电网络，STEM和DFT计算结果证实，高价态钨离子(W6+)有序地分布在过渡金属层中，降低了(003)表面的能量，导致初生晶粒沿[100]方向生长。更重要的是，W的加入诱导了纳米尖晶石相的形成，为Li+的扩散提供了三维途径，缓解了应力积累。Ti钉扎入晶格中增大了LiO6层的层间距，且较强的Ti-O键可以抑制晶胞体积的变化，而Li2TiO3锂离子导电网络保护了活性物质不受电解液的侵蚀。在Li2TiO3层和Ti掺杂的双重作用下，NCW正极具有坚固的保护层和稳定的层状结构，Ti改性后的NCW正极材料在1C循环500次后全电池的容量保持为93.0%，并且在运行过程中晶格氧的稳定性得到显著提高。该策略可应用于其它具有Li2TiO3包覆层同时掺杂Ti的先进锂离子电池正极材料(如NCB90、NCTa90、NCMo90等)，为全面提高超高镍正极材料的性能提供了新方法。相关研究成果发表在Mater. Today, 2024, 11, 86（IF=21.1）。https://doi.org/10.1016/j.mattod.2024.08.002
成果五：原位共生长富LiF-Li3N双保护层实现高界面稳定性的固态锂金属电池
图5. 凝胶聚合物固态电解质的设计原理示意图及所合成的电解质的电化学性能图
构建富含LiF-Li3N的SEI可以有效地稳定锂金属电池负极侧的界面，抑制枝晶生长，从而提高电池的循环稳定性。设计利用电解质的分解构筑富含LiF-Li3N的SEI膜有着巨大的优势：①电解质中丰富的极性基团可以有效地吸引锂离子，在充放电过程中引导锂离子的均匀沉积，促进稳定界面层的形成，提高循环性能；②凝胶电解质骨架中的氰基与含氟基团在反应初期的分解可以形成富含LiF-Li3N的SEI，其中LiF可以保证SEI的强度，避免枝晶穿透脆弱的SEI膜。同时LiF与锂金属界面较高的活化能可以有效地防止副反应以及锂枝晶的生长。Li3N在体系中起到构筑快速离子通道，快速传输离子的作用，有效提高体系锂离子的传送；③OFHDODA的加入提高了体系的抗氧化能力以及耐高压性能，能够与钴酸锂正极相匹配实现优良性能。在这个独特的体系中，氟化锂和氮化锂的协同作用在调节Li+离子的沉积动力学方面起着关键作用，有效地降低了Li的成核能势垒，克服了扩散离子不均匀的输运，同时提高了机械强度，实现了无枝晶的电化学过程。本研究为促进Li+离子电解质体系中的快速迁移提供了一种合理的设计策略，为开发更高能量密度的固态电池提供了理论基础。相关研究成果发表在Energy Storage Mater., 2024, 70, 103564（IF=18.9）。
https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103564
以上成果得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、云南省新能源重大科技专项、“双一流”建设基金、云南大学研究生科研创新项目的支持。
郭洪，云南大学教授，兼任西南联合研究生院博士生导师。享受云南省政府津贴专家，云南大学东陆学者，中国硅酸盐学会固态离子学分会（CSSI）理事，国际能源与电化学科学研究院（IAOEES）理事，国际电化学会（ISE）会员。主持973计划、国家自然科学基金、云南省重大科技专项、云南省及教育部重点项目等20余项省部级及以上课题。主要从事电化学储能及环境催化研究。以第一作者及通讯作者在PNAS、Adv Mater、Angew Chem等学术期刊发表论文200余篇，引用超过8000次。申请及授权中国发明专利30余项。课题组常年招收二次电池关键技术及光、电催化方向师资（科研）博士后及优秀青年学者，联系邮箱：guohong@ynu.edu.cn。
