海南，是新能源汽車的“試驗寶地”。針對此，海南大學(xué)材料學(xué)院韋雅慶副教授可能是最有發(fā)言權(quán)的人之一。
他表示，一方面新能源動力電池的運行服役，會受到極端低溫環(huán)境和惡劣天氣的影響，這會導(dǎo)致電池性能無法得到有效發(fā)揮。然而，海南光溫充足、氣候溫和，這能有效保證電池的穩(wěn)定運行。
此外，海南島全島面積 3.39 萬平方公里，從海口到三亞僅有 285 公里，完全在新能源電動汽車的續(xù)航里程范圍內(nèi)。
他繼續(xù)說道：“開著新能源電動車在海南環(huán)島自駕游已經(jīng)變得頗受歡迎。因此，作為海南島的一名科研人員，我們在這里開展新能源車用動力電池的研究也具有重要的現(xiàn)實意義。并且，這類科學(xué)研究源于生活需求，最終又服務(wù)于日常生活中。”
而就在前不久，韋雅慶和團隊成功解決了鋰離子電池合金型負(fù)極材料面臨的兩大難題：首次庫倫效率較低、以及體積膨脹導(dǎo)致容量快速衰減的問題。
研究中，受到高熵合金新理念的啟發(fā)，課題組把高熵效應(yīng)引入合金型負(fù)極材料中，將單一高純單質(zhì)拓展至高熵合金體系，有效緩解了上述兩個難題。
審稿人也予以較高的評價，其認(rèn)為：“本工作是鋰離子電池合金型負(fù)極材料的重要轉(zhuǎn)折點，對合金型負(fù)極材料的進(jìn)一步發(fā)展具有重要的里程碑意義。”
在應(yīng)用前景上：
首先，該成果可以提升新能源電動汽車的續(xù)航能力：作為電動汽車的首選電源，高熵合金負(fù)極材料的研發(fā)將極大地提高鋰離子電池的能量密度，從而進(jìn)一步提升新能源電動汽車的續(xù)航里程。
其次，該成果可以助力新興產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的崛起與發(fā)展：其將極大地提高鋰離子電池的容量，并能逐漸拓展至電動船舶、電動無人機、電子機器人、軍用雷達(dá)、航天空間站等高端科技產(chǎn)品，推動高科技新興產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。
最后，該成果還能促進(jìn)電子消費產(chǎn)品的持久循環(huán)使用：它能夠極大提高鋰離子電池的能量密度，進(jìn)而用于手機、筆記本電腦、電子手表、數(shù)碼相機等消費電子產(chǎn)品和電動工具，最終有效提升其待機時長和循環(huán)壽命。
為開發(fā)大容量、高性能負(fù)極材料，提供技術(shù)借鑒
如今，隨著清潔能源的有效利用和日益增長的能源需求，高能量密度鋰離子電池的開發(fā)具有重要的現(xiàn)實意義，也是推進(jìn)電子設(shè)備和新能源電動汽車快速發(fā)展的主要環(huán)節(jié)。
傳統(tǒng)高熵合金均為過渡金屬元素 Co、Cr、Fe、Ni 等，作負(fù)極時并無儲鋰活性，無法貢獻(xiàn)出放電容量，因此無法應(yīng)用于合金型負(fù)極。
具體來說：相比于石墨（372mAh/g）而言，以 Si 基（4200mAh/g）為代表的合金型材料具備較大的放電容量和較高的儲鋰活性，故在鋰離子電池中具有良好的應(yīng)用前景，但其依舊面臨如下挑戰(zhàn)：
其一，巨大的結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變和體積膨脹效應(yīng)，會導(dǎo)致容量的快速衰減；
其二，較低的首次庫倫效率（ICE<75%）無法滿足商業(yè)化需求。
盡管采取常規(guī)性的碳材料復(fù)合策略，可以緩沖體積膨脹、提高循環(huán)穩(wěn)定性，但卻是以犧牲電極能量密度為代價，并且無法提高合金型單質(zhì)的首次庫倫效率。就能量密度和可逆性而言，常規(guī)性碳材料復(fù)合策略不再適用于合金型負(fù)極材料。
近幾年來，憑借優(yōu)異的導(dǎo)電性和獨特的高熵效應(yīng)，高熵合金在能源催化和存儲領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注，在上述難題的解決上被寄予厚望。
基于此，韋雅慶等人摒棄常規(guī)性的碳材料復(fù)合策略，通過引入高熵合金的理念，將單組分合金型單質(zhì)拓展到多元、多活性高熵合金體系。
進(jìn)一步地，他們利用高熵合金元素間分階段、多層次、多平臺協(xié)同配合，避免了單一組分的集中式體積爆發(fā)，讓其循環(huán)穩(wěn)定性得到有效提升，從而取得了和碳材料復(fù)合策略一樣出色的實驗效果。
此外，課題組通過高熵合金晶格畸變緩慢擴散的特點、元素組分間分階段、以及多層次鋰化特性緩沖的體積膨脹，讓電池循環(huán)壽命也得以改善。
最終，通過成分設(shè)計和比例調(diào)控等手段，該團隊開發(fā)出一種新型 ZnxGeyCuzSiwP2 固溶體合金。
當(dāng)用作鋰電負(fù)極時，該系列的 ZnxGeyCuzSiwP2 固溶體合金均表現(xiàn)出較大的放電容量（>1500mAh/g）、較低的電壓平臺（0.5V）、以及較高的首次庫倫效率（ICE>85%）。
其中，等比例固溶的 Zn0.5Ge0.5Cu0.5Si0.5P2 材料具有最大的構(gòu)型熵，故能發(fā)揮出最高的首次庫倫效率（ICE=93%）、最小的體積膨脹系數(shù)（34.5%）、最快的 Li+ 擴散系數(shù)（1.11?10-10）、以及最為優(yōu)異的快充倍率性能（6.4A/g，551mAh/g），在 LiCoO2//Zn0.5Ge0.5Cu0.5Si0.5P2 全電池中也得到有效驗證。
同時，單質(zhì)半導(dǎo)體到高熵合金金屬導(dǎo)電性的提高，也額外提升了首次庫倫效率和倍率性能，這能推動合金型負(fù)極材料的進(jìn)一步發(fā)展，為開發(fā)大容量、高性能負(fù)極材料，提供重要的理論指導(dǎo)和技術(shù)借鑒。
可以說，五元 ZnxGeyCuzSiwP2 高熵合金的研發(fā)，證明“合金型負(fù)極高熵化”的確能提升合金型負(fù)極材料的循環(huán)壽命、首次庫倫效率和倍率性能的穩(wěn)定提升。
“跨年”發(fā)表的論文
而相關(guān)論文的發(fā)表，也稱得上是一個“跨年事件”。由于他們投稿的期刊是國外雜志，因此國內(nèi)農(nóng)歷春節(jié)的假期，可能剛好是國外審稿人的工作日。
就在 2022 年農(nóng)歷大年三十晚上，課題組收到了關(guān)于此次論文的審稿意見。
隨后他們緊急進(jìn)行線上會議。韋雅慶表示：“在春節(jié)前夕收到審稿意見，確實是一個很大的新春禮物，我們不敢有絲毫懈怠。為了回復(fù)好審稿意見，我們立馬制定研究方向并分配任務(wù)。”
而團隊的全力合作也讓他至今難忘，他說：“不得不說，團結(jié)就是力量：執(zhí)行動手能力強的小伙伴，趁著春節(jié)假期補做實驗；文字功底好的學(xué)生負(fù)責(zé)撰寫論文文稿；繪畫技巧棒的成員負(fù)責(zé)配色排版。大家有條不紊地完成各自的工作內(nèi)容，手挽手肩并肩大步向前，感覺沒有任何東西能阻擋我們前進(jìn)的步伐。最終論文投稿也得以如愿接收，從中我深深感受到了團隊力量的偉大。”
日前，相關(guān)論文以《金屬-磷固溶體合金的高熵化策略助力高可逆性鋰離子電池》（Understanding the Configurational Entropy Evolution in metal-Phosphorus Solid Solution for Highly Reversible Li-Ion Batteries）為題發(fā)在 Advanced Science 上（IF 17.5）。
韋雅慶副教授擔(dān)任共同一作兼共同通訊，碩士生姚潤哲、劉旭豪是共同第一作者，該校的李德教授和陳永教授擔(dān)任共同通訊作者 [1]。
受此啟發(fā)，課題組下一步將以五元 ZnxGeyCuzSiwP2 為出發(fā)點，進(jìn)一步引入原子半徑相似、電負(fù)性相近的 Sn、Mg、Al、Sb 等元素，將其拓展至六元、七元、八元等多元高熵合金體系。
希望借此可以增加這一系列高熵合金的陽離子無序度和構(gòu)型熵，以期有效提升其作為鋰離子電池負(fù)極材料的電化學(xué)性能，推動“合金型負(fù)極高熵化”體系的進(jìn)一步發(fā)展和實用化。
據(jù)了解，韋雅慶今年只有 30 歲，來自于廣西南寧。而他從本科至今的腳步，始終活動在中國南方。他是海南大學(xué)的本科校友，如今又成為這里的老師。哪怕曾被保送到中部的華中科技大學(xué)讀博，卻也在幾年后返回母校工作。
而作為一名長期 base 在海南的科研人員，韋雅慶也有了更多的盼頭。他說：“隨著‘碳中和’‘碳達(dá)峰’政策的提出，以及建設(shè)‘海南自由貿(mào)易港’這一項國家重大戰(zhàn)略規(guī)劃的整體推進(jìn)，新能源電動汽車的迅猛發(fā)展，在全國市場占據(jù)越來越重要的地位和份額，并有望取代燃油車成為新時代交通工具的主流。因此，在海南開展新能源材料與器件、以及車用動力電池的研究，我和團隊也將擁有更多的優(yōu)勢。”
原標(biāo)題：為先進(jìn)儲能開辟新途徑，科學(xué)家制備高熵合金負(fù)極材料，將鋰離子電池放電容量提升至1500mAh/g以上
掃描關(guān)注微信
寧德時代吳凱...
天合光能陳奕...
劉巖: 追光行...
黃震院士：大...