武汉理工大学许絮AFM文章：电子离域效应增强全固态薄膜电池性能！

第一作者：于永坤

通讯作者：许絮*

单位：武汉理工大学

物联网的出现开创了一个以电子和信息技术的不断进步为标志的新时代，其特点是微型化和高度集成。这一进步导致了通过互联网互联的微型自主无线电子设备的激增。然而，开发合适的微型储能设备已成为进一步推动这些微型电子设备发展的关键瓶颈。利用薄膜沉积技术制造的全固态薄膜电池被认为是微型电子设备中一种很有前景的储能装置。因此，全固态薄膜电池已成为全球科技领域的前沿技术，对工业发展起着举足轻重的作用。然而，储能能力有限的全固态薄膜电池要满足典型微电子设备和便携式电子设备的实际应用要求(0.1 μWh ~ 1 mWh)，还有很长的路要走。大多数全固态薄膜电池具有锂金属阳极。值得注意的是，与锂的高理论比容量(3860 mAh g^-1)相比，正极材料的选择至关重要，会对电池容量产生重大影响。尽管使用钴酸锂和锰酸锂等广泛应用于锂离子电池的正极材料制成的全固态薄膜电池具有良好的电化学性能，但其有限的容量给满足实际应用要求带来了挑战。

基于此，武汉理工大学副校长麦立强教授团队许絮教授等在《Advanced Functional Materials》上发表了题为“Harnessing Electron Delocalization for Enhanced Capacity and Stability in Heterostructured Cathode for All-solid-state Thin Film Battery”的研究工作。这项工作报道了一种通过引入铜杂原子来构建具有电子离域界面的V₂O₅-Cu₂V₂O₇异质结构的策略，从而有效提高了电极的储锂容量。内建电场的引入优化了电子电导率、Li⁺吸附能和扩散能垒，最终促进了异质结构正极中电荷转移动力学，大大提高了充放电效率和电极稳定性。

图1. V₂O₅-Cu₂V₂O₇异质结构的形成过程及物理表征

图2. V₂O₅-Cu₂V₂O₇异质结构的微观表征

图3. V₂O₅-Cu₂V₂O₇异质结构正极的电化学性能

图4. V₂O₅-Cu₂V₂O₇异质结构正极的储锂机制分析和理论计算

图5. 全固态薄膜电池的表征和电化学性能

通过共溅射在V₂O₅中引入铜杂原子以原位生成V₂O₅-Cu₂V₂O₇异质结构，该方法充分兼顾了电极的高电压和大容量双重优势，大大提高了电极的Li⁺储存容量。DFT计算证实，在V₂O₅-Cu₂V₂O₇中，部分电子从V₂O₅转移到Cu₂V₂O₇，电子离域效应导致的不平衡电荷分布诱导内建电场的形成，优化了电极的Li⁺吸附能、扩散能垒和电子电导率，进而促进了电子和离子的快速迁移，提高了电极的充放电效率和稳定性。

要点二：优异的电化学性能

V₂O₅-Cu₂V₂O₇异质结构电极具有优异的容量和稳定的循环行为。具体而言，该正极的可逆比容量高达76.4 μAh cm^-2 μm^-1，大大优于之前报道的基于V₂O₅的正极，也高于其他商业化正极材料（钴酸锂的理论容量为 69.8 μAh cm^-2 μm^-1，锰酸锂的理论容量为 57.7 μAh cm^-2 μm^-1）。经过4000次循环后，该薄膜正极的容量保持率达到93.03%。

要点三：通过低加工温度实现高性能全固态薄膜电池与多用途衬底的结合

所构建的全固态薄膜电池具有高达65.0 μAh cm^-2 μm^-1的高比容量、良好的速率性能和出色的灵活性。此外，得益于573 K的低退火温度，全固态薄膜电池可以在超薄聚酰亚胺薄膜（厚度为5 μm）上制造，从而通过减少基底厚度大幅提高了全固态薄膜电池的能量密度。该研究证明了通过异质结构设计可有效提高氧化钒正极的容量，并为设计高容量、可集成的全固态薄膜电池提供了新的见解，从而可用于实际的物联网终端应用。

Harnessing Electron Delocalization for Enhanced Capacity and Stability in Heterostructured Cathode for All-solid-state Thin Film Battery

许絮，武汉理工大学特岗教授，研究方向为纳米储能材料与器件。围绕这一方向，开展了纳米电极材料的可控合成、锂金属电池及锂硫电池关键材料结构性能调控、薄膜电池结构设计、微纳电化学器件设计组装及原位表征等基础性研究工作。目前已在Advanced Materials、Energy & Environmental Science、National Science Review、Advanced Energy Materials、Nano Letters、ACS Nano等期刊发表论文90余篇，论文累计他引12000余次，H因子50，获授权国家发明专利十余项。获湖北省自然科学一等奖，入选第六届中国科协“青年人才托举工程”，指导学生获得挑战杯全国大学生课外学术科技作品竞赛一等奖。

武汉理工大学纳米重点实验室主要从事纳米能源材料与器件领域的研究，包括新能源材料、新型催化材料、微纳器件等前沿方向。团队目前有教师13名，包括长江学者、杰青、国家领军人才、国家级高层次青年人才5人（次），在读博士、硕士研究生80余人。中科院院士赵东元教授作为课题组学术顾问，为课题组发展提供重要的指导和帮助。

团队长期致力于储能技术领域研究，设计组装了国际上第一个单根纳米线器件，实现单纳米基元从0到1的突破，发现电子/离子双连续效应和分级协同效应。团队近年来主持/承担了国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”重点专项、国家杰出青年基金、国家基金委重大科研仪器专项、国家自然科学基金重点项目、国家国际科技合作计划等国家级科研项目30余项。课题组目前发表SCI论文500余篇，以第一或通讯作者在Nature 2篇，Nature及Cell子刊（30篇），合作发表Nature 1篇、Science 2篇、Nature、Science、Cell子刊5篇，ESI高被引论文55篇，ESI 0.1%热点论文13篇。获得国家发明授权专利140余项。获国家自然科学二等奖（2019）、教育部自然科学一等奖（2018年）和湖北省自然科学一等奖（2014年和2021年）。团队负责人麦立强教授获何梁何利基金科学与技术青年创新奖（2020）和国际电化学能源大会卓越研究奖（2018，每年仅2人）等，获国家杰青资助（2014年），入选教育部“长江学者”奖励计划（2016年），中国微米纳米技术学会会士（2022）、中国化学会会士（2023年）、英国皇家化学会会士（2018）和科睿唯安全球高被引科学家（2019-2021）；任国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”首席科学家、国家重点研发计划纳米科技专家组成员、国家“十四五”材料领域重点专项指南编制专家，入选“国家百千万人才工程计划”，并被授予“有突出贡献中青年专家”荣誉称号，享受国务院政府特殊津贴；在美国MRS、ACS、ECS等重要国际会议做特邀报告70余次；作为会议主席举办Nature能源材料会议、第十届中美华人纳米论坛等重要学术会议。

团队培养的50余名学生被推荐到哈佛大学、麻省理工大学、牛津大学、加州大学洛杉矶分校、西北太平洋国家实验室、阿贡国家实验室、清华大学、北京大学、中国科学院等著名高校或科研机构进行深造。10余名学生已在国内外知名高校和科研单位如英国国家物理实验室、萨里大学、滑铁卢大学、厦门大学等任职，担任教授或助理教授。该团队已发展成为国内外纳米科学技术和新能源材料技术领域具有重要影响的科学研究、国际合作及人才培养中心。

欢迎有志于从事新能源纳米材料与器件的有志之士加盟本课题组！特别欢迎对科研感兴趣、成绩好、英语基础扎实、积极主动性高、有志于继续国内或到国外深造的学生报考或申请本课题组的博士后、博士生、硕士生，也欢迎国内外专家学者或学生的访问、交流与合作！

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