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頂級大牛Jeff Dahn為何偏愛IF只有4.3的JES？

來源：測試GO 時間：2022-04-13 20:40:07 瀏覽：3488次

人物簡介

提到世界鋰電研究的第一梯隊，一定繞不開一位傳奇人物，他就是Jeff Dahn。

Jeff Dahn教授是目前國際上鋰離子電池材料研究領域最著名的學者之一，他曾榮獲加拿大最高科學與工程獎（Gerhard Herzberg Gold Medal in Science and Engineering）金質獎章。現(xiàn)為加拿大皇家科學院院士，加拿大自然科學基金委的杰出教授（Canada Research Chair)，曾獲加拿大物理學會的杰出教師獎，目前擔任國際著名電動汽車公司Tesla的首席科學家，是業(yè)界公認的三元材料技術真正的開創(chuàng)者和發(fā)明者。

1982年，Jeff Dahn在加拿大的英屬哥倫比亞大學（UBC）取得物理學博士學位；1985年，Jeff Dahn在Moli Energy公司度過了5年的產業(yè)研發(fā)時光；1990年，Jeff Dahn在西蒙弗雷澤大學物理學任教；1996年，Jeff Dahn回到本科母校（達爾豪斯大學）擔任教授至今，并在3M公司展開了長達20年的任職生涯，擔任其電池材料首席科學家，為3M公司貢獻了眾多專利，成為3M公司電池領域盈利的主要來源；2016年起，與3M結束合約的Jeff Dahn攜手Tesla，擔任Tesla Canada的首席科學家。

自進入電池相關研究領域以來，Jeff Dahn便開啟了其傳奇的一生，相繼在鋰離子電池正極、鋰離子電池負極和水系電池等領域做出了巨大的貢獻，尤其是對鋰離子電池的產業(yè)化研究的推進。

為了更清晰的認識這位傳奇人物，筆者統(tǒng)計并總結了截止目前Jeff Dahn在鋰電領域所做出的卓越研究成果（疏漏之處，敬請指正）：

1979-1987年，Jeff Dahn研究了TaS₂、Mo₆Se₈、ZrS₂、ZrSe₂和Mo₆S₈等材料的鋰離子電池性能；

1990-1993年，Jeff Dahn研究了LiNiO₂、WO₃、LiCoO₂和LiMn₂O₄等電極材料；

1994年，Jeff Dahn在Science上發(fā)表首篇水系鋰離子電池文章（圖1）；

圖1 Jeff Dahn在Science上發(fā)文截圖

1995年，Jeff Dahn在Science上發(fā)文報道Li⁺嵌碳的三種機理（圖2）；

圖2 Jeff Dahn在Science上發(fā)文截圖

2002年，Jeff Dahn報道首個三元鋰電池；

2005年，Jeff Dahn提出了在電池中加入氧化還原電對來防止過充；

2007年，Jeff Dahn開發(fā)了可用于Si負極的粘結劑；

2010年，Jeff Dahn提出了如何準確計算庫倫效率；

2011年，Jeff Dahn提出了學術研究中扣式電池的權威裝配方法（圖3）；

圖3 Jeff Dahn在JES上發(fā)文截圖

2014年，Jeff Dahn發(fā)明了用阿基米德浮力測試軟包電池中的產氣情況；

2016年，Jeff Dahn報道了高壓鋰離子軟包電池中電解液和添加劑的選擇；

2017年，Jeff Dahn對鋰離子電池中的氣體消耗進行了定量評估；

2018年，Jeff Dahn探索了快充鋰電池的共溶劑；

2019年，Jeff Dahn提出Co在高鎳正極中不是必要的（圖4）；

圖4 Jeff Dahn在JES上發(fā)文截圖

2020年，Jeff Dahn報道超聲成像在鋰電池檢測當中的應用；

2020年，Jeff Dahn糾正無負極鋰金屬電池的失效機制；

2020年，Jeff Dahn將鋰離子電池和鋰金屬電池結合，實現(xiàn)安全性、循環(huán)性和能量密度之間的平衡。

當然，Jeff Dahn的貢獻遠不止如此，從其研究團隊官網（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等知名學術期刊上發(fā)表論文750余篇，H指數(shù)為140，i10指數(shù)位696，學術論文總引用量超過8.4w+（圖5），此外，Jeff Dahn還是超過60項專利的共同發(fā)明人。

圖5 谷歌學術檢索Jeff Dahn結果

值得一提的是，僅僅是在Journal of The Electrochemical Society這一個期刊，Jeff Dahn研究團隊發(fā)文量就大于400篇。到底是什么樣的魔力吸引了產業(yè)界的傳奇大佬呢？本期，筆者將對Journal of The Electrochemical Society期刊進行一個簡單的介紹。

期刊簡介

Journal of The Electrochemical Society（JES）是電化學學會的旗艦期刊。從 1902 年開始，JES一直是電化學和固態(tài)科學技術領域被引用次數(shù)最多的期刊之一。JES主要關注電化學、材料科學、工程技術和物理化學領域的最新進展，收錄稿件對創(chuàng)新性和實用性的要求較高。

2016年，JES的影響因子僅僅為3.259，隨后幾年，該期刊的影響因子雖略有波動，但整體上呈現(xiàn)上升趨勢，2021年最新影響因子已經達到了4.316。從近幾年的趨勢來看，未來還有進一步增長的可能。雖然中科院最新的分區(qū)將該期刊分為了三區(qū)，但作為老牌電化學期刊，JES在業(yè)界的認可度依然很高（圖6）?？梢哉f，JES雖然沒有美觀的圖片和炫酷的詞匯，但一篇篇樸素的論文使其別具一格！

圖6 JES期刊近五年影響因子

此外，從近幾年來看，JES的年發(fā)文量較為平穩(wěn)，從2016（1397篇）年到2020年（1620篇）似乎出現(xiàn)了略微上升的趨勢，不過增加幅度不大，始終維持在1600篇左右，這表明該期刊收文質量還依然保持在穩(wěn)定狀態(tài)（圖7）。同時，相對較高的年發(fā)文量也表明該期刊的過稿率可能較高，值得一試。

圖7 JES期刊近五年發(fā)文量

期刊官方網站：http://ecsdl.org/JES/

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

下面，筆者將挑選兩篇Jeff Dahn研究團隊近期發(fā)表JES上且具有一定實用性的研究論文進行解讀，希望能給相關科研工作者帶來一絲啟發(fā)。

1.石墨材料對NMC811/石墨電池壽命的影響：材料性能、電弧安全測試、氣體生成和室溫循環(huán)

原文鏈接：https://iopscience.iop.org/article/10.1149/1945-7111/ac39fc

為滿足電動汽車（EV）和電網儲能的需求，需要開發(fā)具有高能量密度和長壽命的鋰離子電池。富鎳正極材料能夠顯著增加電池能量密度，但在充放電循環(huán)過程中存在不可忽視的晶格體積變化，導致顆粒開裂并與電解質產生副反應，從而引發(fā)電池失效。

主要的失效機制是由于連續(xù)固體電解質中間相（SEI）生長導致負極的鋰損失。使用電解質添加劑可以顯著抑制電池中的副反應。除了添加劑之外，石墨材料的選擇也會影響SEI的生長和副反應速率，但石墨的選擇對NMC811電池壽命的影響尚未得到廣泛研究。因此，了解NMC811與各種石墨材料之間的相互作用很重要。

有鑒于此，加拿大達爾豪斯大學Jeff Dahn教授團隊^[^1]調查了幾種不同石墨材料（NGA、NGB、NGC、AGB和AGC，NG為天然石墨，AG為人造石墨）對NMC811/石墨電池性能的影響。結果表明，所有NG材料都具有顯著的3R相，而AG主要為2H相。NG具有重量百分比約5%的表面涂層，而AG材料在低于1200 ℃的溫度下似乎沒有任何表面涂層（圖8）。

紐扣電池和軟包電池數(shù)據(jù)表明AGC和NGB具有非常低的電解質還原活性。原位氣體測量表明，NGC材料鈍化效果最差。此外，具有良好鈍化性能和高首次庫倫效率的電池在化成過程中具有較低的C₂H₄/CO₂比。與NGA和NGC相比，NGB、AGB和AGC材料顯示出優(yōu)異的容量保持率，循環(huán)1800次以后，容量損失均小于10%（圖9）。這項工作為商業(yè)化NCM811/石墨電池的制備提供了借鑒。

圖8 不同石墨電極的表面形貌

圖9 不同NCM811/石墨電池在截止電壓為4.2 V時的電化學性能

2.LiFePO₄/石墨電池的性能和降解:水污染的影響和常用電解質添加劑的評價

原文鏈接：https://iopscience.iop.org/article/10.1149/1945-7111/abbbbe

橄欖石型LiFePO₄ （LFP）是鋰離子電池中最常見的正極材料之一。雖然LFP的能量密度不高，但其安全性好，成本低廉。然而，無論是鋰化態(tài)還是脫鋰態(tài)，鋰在LFP中的擴散都十分緩慢，嚴重降低了材料的倍率性能，導致出現(xiàn)容量衰減問題。

LFP/石墨體系電池的一個主要衰減機制是鐵從正極的溶解，并沉積在石墨表面，從而催化電解質還原和固體電解質間相（SEI）的形成。而電池中痕量水的存在會大幅加劇鐵的溶解。替換鋰鹽以及使用電解質添加劑可以降低鐵的溶解并提高容量保持率。然而，在另一些正極材料中，殘余的水卻提升了電池性能。因此，水殘留到底怎樣影響電池的性能，電解液添加劑又起到什么作用？這些問題的答案依然亟待深究。

有鑒于此，加拿大達爾豪斯大學Jeff Dahn教授團隊^[^2]通過控制殘余水的含量，對比了添加電解液添加劑前后，水對LFP容量衰減的影響。研究發(fā)現(xiàn)，當不使用電解液添加劑時，水的存在會嚴重影響電池性能。而當使用有效添加劑時，電池中的過量水不會顯著影響循環(huán)壽命和容量。而在沒有電解液添加劑的情況下，去除多余的水分也能抑制電池中鐵的溶解。

測試結果表明，使用更高的溫度干燥可以去除更多殘留水分，提高電池的容量保持率，而隨著運行溫度的升高，電池的性能幾乎無差別，提升效果不明顯，這表明電池中最主要的降解機制是與運行溫度有關的。

在添加電解液添加劑的電池中，提高干燥溫度并不能顯著提高性能，甚至會降低電池的容量保持率。20℃下120℃干燥的電池的性能較差，電壓極化的增加表明在高倍率、低溫下循環(huán)時，阻抗增加是電池的主要衰減機制（圖10）。

此外，作者發(fā)現(xiàn)在40℃和55℃下，NMC電池比所有LFP電池的容量保持率都高（圖11）。充電至3.65 V的商用LFP電池的性能不如充電至4.3 V的NMC/石墨電池，這表明，即使進行了優(yōu)化，LFP的高溫降解仍是該領域的一個重要問題。LFP與NMC電池相比容量損失增加的原因可能是副反應導致的鋰損失和正極活性材料損失。

另外，NMC/石墨和LFP/石墨之間的不同的穿梭反應機制可能導致容量衰減差異。雖然LFP/石墨電池的平均工作電壓比NMC/石墨電池低很多，但LFP正極的表面積非常大，這也可能增加LFP內的副反應速率。這項工作對于正確評價電池體系中痕量水的作用提供了有效指導。

圖10 不同添加劑，干燥溫度下，電池的容量衰減對比

圖11 NMC/石墨與LFP/石墨電池性能對比

參考文獻

[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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