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    顶级大牛Jeff Dahn为何偏爱IF只有4.3的JES?
    来源:测试GO 时间:2022-04-13 20:40:07 浏览:3060次


    人物简介

    提到世界锂电研究的第一梯队,一定绕不开一位传奇人物,他就是Jeff Dahn。

    Jeff Dahn教授是目前国际上锂离子电池材料研究领域最著名的学者之一,他曾荣获加拿大最高科学与工程奖(Gerhard Herzberg Gold Medal in Science and Engineering)金质奖章。现为加拿大皇家科学院院士,加拿大自然科学基金委的杰出教授(Canada Research Chair),曾获加拿大物理学会的杰出教师奖,目前担任国际著名电动汽车公司Tesla的首席科学家,是业界公认的三元材料技术真正的开创者和发明者。

    1982年,Jeff Dahn在加拿大的英属哥伦比亚大学(UBC)取得物理学博士学位;1985年,Jeff Dahn在Moli Energy公司度过了5年的产业研发时光;1990年,Jeff Dahn在西蒙弗雷泽大学物理学任教;1996年,Jeff Dahn回到本科母校(达尔豪斯大学)担任教授至今,并在3M公司展开了长达20年的任职生涯,担任其电池材料首席科学家,为3M公司贡献了众多专利,成为3M公司电池领域盈利的主要来源;2016年起,与3M结束合约的Jeff Dahn携手Tesla,担任Tesla Canada的首席科学家。

    自进入电池相关研究领域以来,Jeff Dahn便开启了其传奇的一生,相继在锂离子电池正极、锂离子电池负极和水系电池等领域做出了巨大的贡献,尤其是对锂离子电池的产业化研究的推进。

    为了更清晰的认识这位传奇人物,笔者统计并总结了截止目前Jeff Dahn在锂电领域所做出的卓越研究成果(疏漏之处,敬请指正):

    1979-1987年,Jeff Dahn研究了TaS2、Mo6Se8、ZrS2、ZrSe2和Mo6S8等材料的锂离子电池性能;

    1990-1993年,Jeff Dahn研究了LiNiO2、WO3、LiCoO2和LiMn2O4等电极材料;

    1994年,Jeff Dahn在Science上发表首篇水系锂离子电池文章(图1);

     1 Jeff DahnScience上发文截图


    1995年,Jeff Dahn在Science上发文报道Li+嵌碳的三种机理(图2);

     2 Jeff DahnScience上发文截图


    2002年,Jeff Dahn报道首个三元锂电池;

    2005年,Jeff Dahn提出了在电池中加入氧化还原电对来防止过充;

    2007年,Jeff Dahn开发了可用于Si负极的粘结剂;

    2010年,Jeff Dahn提出了如何准确计算库伦效率;

    2011年,Jeff Dahn提出了学术研究中扣式电池的权威装配方法(图3);

     3 Jeff DahnJES上发文截图


    2014年,Jeff Dahn发明了用阿基米德浮力测试软包电池中的产气情况;

    2016年,Jeff Dahn报道了高压锂离子软包电池中电解液和添加剂的选择;

    2017年,Jeff Dahn对锂离子电池中的气体消耗进行了定量评估;

    2018年,Jeff Dahn探索了快充锂电池的共溶剂;

    2019年,Jeff Dahn提出Co在高镍正极中不是必要的(图4);

     4 Jeff DahnJES上发文截图


    2020年,Jeff Dahn报道超声成像在锂电池检测当中的应用;

    2020年,Jeff Dahn纠正无负极锂金属电池的失效机制;

    2020年,Jeff Dahn将锂离子电池和锂金属电池结合,实现安全性、循环性和能量密度之间的平衡。

    当然,Jeff Dahn的贡献远不止如此,从其研究团队官网(www.dal.ca/diff/dahn/publications.html)可以看到,截止目前,Jeff Dahn在Science、Nature Energy、Joule和Journal of The Electrochemical Society等知名学术期刊上发表论文750余篇,H指数为140i10指数位696,学术论文总引用量超过8.4w+(图5),此外,Jeff Dahn还是超过60项专利的共同发明人。

     

    图5 谷歌学术检索Jeff Dahn结果


    值得一提的是,仅仅是在Journal of The Electrochemical Society这一个期刊,Jeff Dahn研究团队发文量就大于400篇。到底是什么样的魔力吸引了产业界的传奇大佬呢?本期,笔者将对Journal of The Electrochemical Society期刊进行一个简单的介绍。


    期刊简介

     

    Journal of The Electrochemical Society(JES)是电化学学会的旗舰期刊。从 1902 年开始,JES一直是电化学和固态科学技术领域被引用次数最多的期刊之一。JES主要关注电化学、材料科学、工程技术和物理化学领域的最新进展,收录稿件对创新性和实用性的要求较高。

    2016年,JES的影响因子仅仅为3.259,随后几年,该期刊的影响因子虽略有波动,但整体上呈现上升趋势,2021年最新影响因子已经达到了4.316。从近几年的趋势来看,未来还有进一步增长的可能。虽然中科院最新的分区将该期刊分为了三区,但作为老牌电化学期刊,JES在业界的认可度依然很高(图6)。可以说,JES虽然没有美观的图片和炫酷的词汇,但一篇篇朴素的论文使其别具一格!

     

    图6 JES期刊近五年影响因子

    此外,从近几年来看,JES的年发文量较为平稳,从2016(1397篇)年到2020年(1620篇)似乎出现了略微上升的趋势,不过增加幅度不大,始终维持在1600篇左右,这表明该期刊收文质量还依然保持在稳定状态(图7)。同时,相对较高的年发文量也表明该期刊的过稿率可能较高,值得一试。


    7 JES期刊近五年发文量 

    期刊官方网站:http://ecsdl.org/JES/

    期刊投稿网站:http://jes.peerx-press.org/cgi-bin/main.plex

    下面,笔者将挑选两篇Jeff Dahn研究团队近期发表JES上且具有一定实用性的研究论文进行解读,希望能给相关科研工作者带来一丝启发。


    1.石墨材料对NMC811/石墨电池寿命的影响:材料性能、电弧安全测试、气体生成和室温循环

    原文链接:https://iopscience.iop.org/article/10.1149/1945-7111/ac39fc

    为满足电动汽车(EV)和电网储能的需求,需要开发具有高能量密度和长寿命的锂离子电池。富镍正极材料能够显著增加电池能量密度,但在充放电循环过程中存在不可忽视的晶格体积变化,导致颗粒开裂并与电解质产生副反应,从而引发电池失效。

    主要的失效机制是由于连续固体电解质中间相(SEI)生长导致负极的锂损失。使用电解质添加剂可以显著抑制电池中的副反应。除了添加剂之外,石墨材料的选择也会影响SEI的生长和副反应速率,但石墨的选择对NMC811电池寿命的影响尚未得到广泛研究。因此,了解NMC811与各种石墨材料之间的相互作用很重要。

    有鉴于此,加拿大达尔豪斯大学Jeff Dahn教授团队[1]调查了几种不同石墨材料(NGA、NGB、NGC、AGB和AGC,NG为天然石墨,AG为人造石墨)对NMC811/石墨电池性能的影响。结果表明,所有NG材料都具有显着的3R相,而AG主要为2H相。NG具有重量百分比约5%的表面涂层,而AG材料在低于1200 ℃的温度下似乎没有任何表面涂层(图8)。

    纽扣电池和软包电池数据表明AGC和NGB具有非常低的电解质还原活性。原位气体测量表明,NGC材料钝化效果最差。此外,具有良好钝化性能和高首次库伦效率的电池在化成过程中具有较低的C2H4/CO2比。与NGA和NGC相比,NGB、AGB和AGC材料显示出优异的容量保持率,循环1800次以后,容量损失均小于10%(图9)。这项工作为商业化NCM811/石墨电池的制备提供了借鉴。

    图8 不同石墨电极的表面形貌

     

    图9 不同NCM811/石墨电池在截止电压为4.2 V时的电化学性能


    2.LiFePO4/石墨电池的性能和降解:水污染的影响和常用电解质添加剂的评价

    原文链接:https://iopscience.iop.org/article/10.1149/1945-7111/abbbbe

    橄榄石型LiFePO4 (LFP)是锂离子电池中最常见的正极材料之一。虽然LFP的能量密度不高,但其安全性好,成本低廉。然而,无论是锂化态还是脱锂态,锂在LFP中的扩散都十分缓慢,严重降低了材料的倍率性能,导致出现容量衰减问题。

    LFP/石墨体系电池的一个主要衰减机制是铁从正极的溶解,并沉积在石墨表面,从而催化电解质还原和固体电解质间相(SEI)的形成。而电池中痕量水的存在会大幅加剧铁的溶解。替换锂盐以及使用电解质添加剂可以降低铁的溶解并提高容量保持率。然而,在另一些正极材料中,残余的水却提升了电池性能。因此,水残留到底怎样影响电池的性能,电解液添加剂又起到什么作用?这些问题的答案依然亟待深究。

    有鉴于此,加拿大达尔豪斯大学Jeff Dahn教授团队[2]通过控制残余水的含量,对比了添加电解液添加剂前后,水对LFP容量衰减的影响。研究发现,当不使用电解液添加剂时,水的存在会严重影响电池性能。而当使用有效添加剂时,电池中的过量水不会显著影响循环寿命和容量。而在没有电解液添加剂的情况下,去除多余的水分也能抑制电池中铁的溶解。

    测试结果表明,使用更高的温度干燥可以去除更多残留水分,提高电池的容量保持率,而随着运行温度的升高,电池的性能几乎无差别,提升效果不明显,这表明电池中最主要的降解机制是与运行温度有关的。

    在添加电解液添加剂的电池中,提高干燥温度并不能显著提高性能,甚至会降低电池的容量保持率。20℃下120℃干燥的电池的性能较差,电压极化的增加表明在高倍率、低温下循环时,阻抗增加是电池的主要衰减机制(图10)。 

    此外,作者发现在40℃和55℃下,NMC电池比所有LFP电池的容量保持率都高(图11)。充电至3.65 V的商用LFP电池的性能不如充电至4.3 V的NMC/石墨电池,这表明,即使进行了优化,LFP的高温降解仍是该领域的一个重要问题。LFP与NMC电池相比容量损失增加的原因可能是副反应导致的锂损失和正极活性材料损失。

    另外,NMC/石墨和LFP/石墨之间的不同的穿梭反应机制可能导致容量衰减差异。虽然LFP/石墨电池的平均工作电压比NMC/石墨电池低很多,但LFP正极的表面积非常大,这也可能增加LFP内的副反应速率。 这项工作对于正确评价电池体系中痕量水的作用提供了有效指导。

     10 不同添加剂,干燥温度下,电池的容量衰减对比


    图11 NMC/石墨与LFP/石墨电池性能对比


    参考文献

    [1] A. Eldesoky, Michael Bauer, S. Azam, et al. Impact of Graphite Materials on the Lifetime of NMC811/Graphite Pouch Cells: Part I. Material Properties, ARC Safety Tests, Gas Generation, and Room Temperature Cycling. Journal of The Electrochemical Society, 2021 168 110543.

    [2] E. R. Logan, Helena Hebecker, A. Eldesoky, et al. Performance and Degradation of LiFePO4/Graphite Cells: The Impact of Water Contamination and an Evaluation of Common Electrolyte Additives. Journal of The Electrochemical Society, 2020 167 130543.



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    12条评论
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    全部 3小时前 四川
    文字是人类用符号记录表达信息以传之久远的方式和工具。现代文字大多是记录语言的工具。人类往往先有口头的语言后产生书面文字,很多小语种,有语言但没有文字。文字的不同体现了国家和民族的书面表达的方式和思维不同。文字使人类进入有历史记录的文明社会。
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