清华大学张强课题组青年才俊陈翔博士佳作频出！

人物简介

陈翔，清华大学水木学者，合作导师为张强教授。分别于2016年和2021年在清华化工系获工学学士和博士学位。曾入选2020年清华大学研究生学术新秀，2020年、2021年科睿唯安全球高被引学者，2021年第七届中国科协青年托举工程。目前主要从事能源化学多尺度模拟与机器学习研究。

早在2014年10月左右，陈翔就进入张强老师课题组开展科研训练的，最开始从事的是实验研究。两三个月之后，陈翔对自己所在的领域有了一定了解，觉得应该结合自己的数学特长和兴趣爱好开展研究工作。在和张强老师讨论并获得了支持之后，陈翔选择了锂电池理论计算作为自己的研究方向。

陈翔在这一方向取得了丰硕的成果，在Science Advances、Angew、Chem等期刊上发表多篇重要成果！

1

有机电解质的固有不稳定性严重阻碍了高容量金属（Li，Na）阳极的实际应用。离子-溶剂络合物甚至可以促进金属阳极上电解质的分解。

陈翔博士进行第一性原理计算是为了研究离子-溶剂配合物还原稳定性降低的原因。选择酯和醚电解质溶剂都可与Li+，Na+，K+，Mg2+和Ca2+相互作用。离子-酯配合物的LUMO能级与结合能呈线性关系，受LUMO中碳原子轨道的比例调节，而离子-醚配合物的LUMO由金属原子轨道组成。这项工作表明了离子-溶剂配合物为什么会降低电解质的还原稳定性，揭示了酯和醚电解质的不同机理，并提供了对电解质-阳极界面反应的理论理解，并为电解质和金属阳极的设计提供了指导。

The Origin of the Reduced Reductive Stability of Ion–Solvent Complexes on Alkali and Alkaline Earth Metal Anodes https://doi.org/10.1002/anie.201809203

2

锂金属负极由于拥有理论比容量和电极电位方面的优势，是下一代高比能锂电池负极材料的理想选择。但是充放电过程中锂枝晶生长和负极体积膨胀等问题极大地抑制了锂金属负极的实际应用。近年来，负极骨架设计被认为是一种解决锂金属负极枝晶生长和体积膨胀问题的有效手段。各种亲锂材料，特别是掺杂碳材料，被广泛应用于锂金属负极骨架。但对于锂负极骨架设计中的核心问题之一，锂形核位点的亲锂性，现阶段还缺乏有效的理论解释。

陈翔博士采用第一性原理计算与实验表征相结合的方法，以掺杂碳材料为模型体系，提出了锂负极骨架材料亲锂性理性设计的准则。第一性原理计算系统分析了各种掺杂（B、N、O、F、P、S、Cl、Br、I等）位点与锂之间的相互作用强弱，结合经典的形核理论，进一步分析各种掺杂位点的亲锂性和降低锂形核过电位的作用。

Lithiophilicity chemistry of heteroatom-doped carbon to guide uniform lithium nucleation in lithium metal anodes Sci. Adv., 2019, 5, eaau7728, DOI: 10.1126/sciadv.aau7728

3

建立稳定的电解质是钠（Na）金属电池的关键技术之一，因为钠金属阳极的反应性和树枝状生长。

陈翔博士提出了一种范式合理的阳离子添加剂策略来稳定钠金属电池的电解质。通过第一性原理计算和分子动力学模拟证明了三个原理，包括引入的阳离子的电极电位，与阳离子配位后溶剂的最低未占据分子轨道能级降低，以及阳离子与溶剂之间的相互作用强度。预计Li+是Na金属电池的良好阳离子添加剂。有限元方法模拟，原位光学显微镜观察和电化学测试进一步验证了由于引入Li+添加剂后的静电屏蔽效应和增强的电解质稳定性，可抵抗Na树突生长。成熟的阳离子添加剂策略为合理设计电解质以提供稳定而安全的Na金属电池提供了新的机会。

Chen, X.; Shen, X.; Hou, T.-Z.; Zhang, R.; Peng, H.-J.; Zhang, Q., Ion-Solvent Chemistry-Inspired Cation-Additive Strategy to Stabilize Electrolytes for Sodium-Metal Batteries. Chem 2020, 6: 2242–2256. https://doi.org/10.1016/j.chempr.2020.06.036

4

锂硫（Li-S）电池由于其高理论能量密度和低成本而被强烈认为是最有前景的储能系统之一。然而，放电过程中从Li2S4到Li2S的缓慢还原动力学阻碍了Li-S电池的实际应用。尽管已经提出了各种电催化剂来改善反应动力学，但由于硫还原反应（SRR）的复杂性，电催化机制还不清楚。彻底了解电催化机制对于设计先进的电催化剂至关重要。

清华大学张强教授、陈翔博士等以杂原子掺杂的碳材料为例，基于系统的密度泛函理论计算，构建了电催化模型，揭示了Li-S电池中SRR的化学机制。具体而言，作者将LiSy⋅（y=1，2或3）自由基的吸附能作为关键描述符来预测反应途径、决定速率的步骤和过电位，并相应地构建了一个设计先进电催化剂的图谱。总体而言，这项工作建立了一个理论模型，它是探究复杂的SRR机制和设计高性能Li-S电池先进电催化剂的一个智能集成。

An Electrocatalytic Model of the Sulfur Reduction Reaction in Lithium–Sulfur Batteries. Angewandte Chemie International Edition 2022. DOI: 10.1002/anie.202211448

5

先进的电解液设计对于构建高能量密度的锂电池至关重要，而将阴离子引入Li+溶剂化鞘已被广泛证明是一种有前景的策略。然而，对阴离子在这种电解液中的关键作用的基本理解十分缺乏。

清华大学张强教授、陈翔博士等通过结合计算和实验方法，对调节电解液结构和稳定性的阴离子化学进行了研究。根据最低未占分子轨道（LUMO）的分析，只要阴离子参与Li+的溶剂化鞘，阴离子和溶剂就会分别表现出降低和提高还原稳定性。此外，在单电子还原反应中，与溶剂相比，阴离子优先接受电子，这导致了阴离子还原电位的上升。计算结果通过线性扫荡伏安法（LSV）测试得到进一步验证，在Li+溶剂化中的阴离子比自由阴离子表现出更高的还原电位。由于阴离子的有利分解，相应地形成了富含LiF的SEI，提供了有效的Li剥离/沉积。这项工作揭开了阴离子化学在调节电解液结构-功能关系方面的神秘面纱，有助于合理设计实用锂金属电池的先进电解液。

The Anionic Chemistry in Regulating the Reductive Stability of Electrolytes for Lithium Metal Batteries. Angewandte Chemie International Edition 2022. DOI: 10.1002/anie.202210859