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加利福尼亞大學圣迭戈分校（UCSD），是位于在美國加州圣迭戈市北郊拉荷亞（La Jolla）地區的一所世界頂尖研究型大學，在多家主流大學排名中長年穩居世界前20，是國際公立大學論壇以及北美頂尖大學聯盟美國大學協會成員。加州大學圣迭戈分校位列2019年軟科世界大學學術排名第18位，2020年U.S. News世界大學排名第19位，2020年泰晤士高等教育世界大學排名第31位，2020年CWUR世界大學排名第27位。

孟穎 教授

孟穎，加利福尼亞州立大學圣地亞哥分校能源技術及材料科學與納米工程教授、能源存儲與轉換實驗室（LESC）首席研究員。于2005年取得新加坡-麻省理工聯合培養微納米系統博士學位，隨后在麻省理工學院進行博士后工作。2008-2009年在佛羅里達大學任教，2009年至今在加州大學圣迭戈分校任教，并在2017年晉升為教授。曾榮獲國際電池協會電池研究獎（2019年）、美國化學學會應用材料與界面青年研究者獎（2018年）、IUMRS新加坡青年科學家研究獎（2017年）、電化學學會C. W. Tobias青年研究者獎（2016）和NSF CAREER獎（2011）等。

孟穎教授的實驗室主頁

開發新材料以提高現有性能是21世紀的一個關鍵技術挑戰。位于加州大學圣地亞哥分校納米工程系的儲能與轉換實驗室(LESC)的目標是設計和開發用于高級儲能與轉換應用的新型功能性納米材料和納米結構。把原材料轉換成可用的能源和儲存產生的能源。先進技術將允許更小更強大的電池，并將提供更大的能量。

孟穎課題組成員

孟穎系統考察了多種電化學儲能相關材料，認為富鋰正極材料、鋰金屬負極材料以及固體電解質將成為下一代鋰離子電池的備選材料。富鋰錳基層狀氧化物正極材料因其具有較高的比容量而成為孟穎的研究重點之一。孟穎將X-射線相干成像技術用于研究富鋰材料，發現了富鋰材料結構錯位與電壓降之間的內在聯系，并指出富鋰材料的電壓降在一定條件下是可逆的，這一研究結果強調了缺陷結構與富鋰材料電化學性能的關系，為富鋰材料的設計拓寬了道路。針對目前極具吸引力的鋰金屬負極、鋰枝晶的沉積生長過程，孟穎做了比較系統的研究工作，提出了鋰枝晶的非密實化導致的大比表面積是引起安全性問題的一大因素，并使用冷凍電鏡技術對鋰金屬相關問題進行研究。在固體電解質方面，孟穎關注界面層的反應和結構變化，解釋了界面層對固體電解質性能的影響和作用。

孟穎教授部分論文發表的期刊

孟穎教授獲得的基金資助

博士工作

  Li[Ni_xLi_1/3-2x/3Mn_2/3-x/3]O₂系列三層化合物Li[Ni_1/2Mn_1/2]O₂（x=1/2），Li [Li_1/9Ni_1/3Mn_5/9] O₂（x=1/3）和Li₂MnO₃（x=0）通過電子衍射結合同步輻射X射線粉末衍射分析進行了研究。在所有三個樣本中發現了面內有序，并提出了過渡金屬層亞晶格上Li⁺，Ni²⁺和Mn⁴⁺的占有率的可能模型。垂直于軸的方向，層狀Li [Ni_1/2Mn_1/2] O₂和Li [Li_1/9Ni_1/3Mn_5/9] O₂晶體中的有序過渡金屬層主要排列在P3112堆垛中，并帶有一些C2 / m堆垛（例如abab ...）異常。相信這兩個樣品的鋰層中的鎳離子在過渡金屬層的堆疊中起著重要作用。此外，電子衍射分析表明，在850°C下獲得的單個Li₂MnO₃晶體具有至少兩個不同的C2 / m堆疊序列變體（abab ...，caca ...和cbcb ...）與c_hex.軸共存，這與某些P3₁12異常堆疊的存在有關。

Y. S. Meng; G. Ceder; C. P. Grey; W.-S. Yoon; M. Jiang; J. Greger; Y. Shao-Horn, Cation ordering in layered O3 Li[Ni_xLi_1/3-2x/3Mn_2/3-x/3]O₂ (0 = x = 1/2) compounds. Chemistry of Materials 2005, 17 (9), 2386-2394

博士后工作

  LiNi_2/3Sb_1/3O₂是由NaNi_2/3Sb_1/3O₂進行離子交換制得的。該材料的粉末X-射線衍射（XRD）和單晶電子衍射（通過透射電子顯微鏡（TEM）表明其與NaFeO₂是同構的。電化學測試表明，隨著循環次數的增加，鋰嵌入和脫嵌的可逆容量迅速下降。實驗證據和第一性原理計算都指出鎳的遷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 LiNi_2/3Sb_1/3O₂. Journal of Power Sources 2007, 173(1), 550-555

獨立后的工作

  鋰金屬負極具有很高的理論容量，但是用這種負極制造的可充電電池會出現枝晶生長和庫侖效率低（電荷輸出與電荷輸入之比），從而阻礙了其商業化應用。惰性（“死”）鋰的形成（由固體電解質中間相中的（電）化學形成的Li⁺化合物和電隔離的未反應的金屬Li⁰組成）會造成容量損失和安全隱患。由于缺乏有效的診斷工具，無法定量區分固體電解質中間相中的Li⁺和未反應的金屬Li⁰。光學顯微鏡，原位環境透射電子顯微鏡，X-射線顯微斷層照相術和磁共振成像提供了很少的化學信息的形態學觀點。核磁共振，X-射線光電子能譜和低溫透射電子顯微鏡可以區分固體電解質界面相中的Li⁺和金屬Li⁰，但它們的檢測范圍僅限于表面或局部區域。在這里，孟穎課題組建立了滴定氣相色譜分析方法，以定量未反應的金屬Li⁰對惰性鋰總量的貢獻。確定未反應的金屬Li⁰，而不是固態電解質界面中的（電）化學形成的Li⁺，是惰性鋰和容量損失的主要來源。通過將未反應的金屬Li⁰含量與通過低溫電子顯微鏡（掃描和透射）觀察其局部微觀結構和納米結構相結合，提出了了不同類型電解質中惰性鋰的形成機理，并確定了低庫侖效率的根本原因。

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

  下一代高能電池的發展勢頭要求電解質與鋰金屬負極和高壓正極均兼容，并且還能夠在較寬的溫度范圍內提供高功率。在這里，我們介紹了一種基于氟甲烷的液化氣電解質，并帶有乙腈助溶劑和更高但實用的鹽濃度。在分子動力學模擬中觀察到并經實驗證實的獨特溶劑化結構不僅顯示出+20 °C時離子電導率提高了9.0 mS cm^-1，而且還顯示出較高的Li遷移數（tLi⁺ = 0.72）。在-78至+75 °C范圍內觀察到優異的電導率（> 4 mS cm^-1），這首次證明了在氟甲烷臨界點以上的操作。液化氣電解質還具有出色的Li金屬穩定性，在3 mA cm^-2和3 mA h cm^-2的侵蝕性條件下，在200個循環中具有99.4％的高平均庫侖效率。同樣，即使在-60 °C的條件下，在液化氣電解質中也可以看到具有理想的Li-襯底接觸的密集Li沉積。歸因于優異的電解質性能以及正極和負極上穩定的界面，Li金屬負極和Li / NMC全電池（高達4.5 V）的性能在-60至+55 °C的寬溫度范圍內都能得到很好的維持。這項研究為寬溫度電解質設計提供了一條途徑，以使高能量密度的鋰金屬電池能夠在-60至+55 °C之間工作。

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