发展高能量密度电池技术对于推动我国能源结构转型升级、实现“双碳”目标具有重要战略意义。金属锂因其高理论比容量和低电势，被认为是下一代高能量密度电池的理想负极材料。然而，金属锂负极在不均匀沉积/剥离时容易形成枝晶、产生 “死锂”；同时，其充放电过程较大的体积变化会导致电极结构粉化，引起严重的界面副反应。这些问题导致锂金属电池循环性能差，且存在安全隐患。因此，设计高效稳定的金属锂复合电极并优化负极-电解质界面，对于提升锂金属电池的循环性能具有重要意义。
       近年来，在科技部、国家自然科学基金委、中国科学院和北京市自然科学基金委的支持下，化学研究所分子纳米结构与纳米技术院重点实验室郭玉国课题组一直致力于锂复合负极结构设计及界面优化研究。在前期的工作中，课题组提出构建双层异质结构人工界面层用于保护金属锂负极，有效抑制了枝晶生长及界面副反应，实现了锂金属电池在高电流密度下的稳定循环（Adv. Mater.2023,35,2300350）；设计开发了超支化动态交联结构聚合物电解质，在金属锂表面形成具有高弹性的固体电解质界面层，提升了锂金属电池的低温循环稳定性（Angew. Chem. Int. Ed.,2024,63, e202316087）。

        为进一步提升锂金属电池的能量密度，减少负极锂用量和降低非活性物质占比是行之有效的途径。然而，在有限锂量的实用条件下，负极“死锂”积累和电极粉化问题会严重影响锂金属电池的循环寿命。近期，该课题组与万立骏课题组合作提出了一种新型轻量化负极设计，采用超轻质聚酰亚胺（PI）替代传统铜箔集流体，并通过离子-配体交换化学反应和超薄锂技术构筑了PI-Ag/Li一体化复合负极。这一设计将负极非活性物质质量占比降低约50%，锂金属电池的能量密度提高约10%。研究发现，金属锂与银原子通过自发固溶扩散机制形成锂-银合金，引导锂均匀致密沉积，有效减少了锂枝晶和“死锂”的形成；同时，锂-银合金与PI之间的强范德华相互作用显著抑制了负极粉化。电化学测试结果表明，超轻质一体化复合负极设计有效提升了高比能锂金属电池实用化条件下的循环稳定性。此外，该复合负极具有高热稳定性和阻燃特性，能够在电芯热失控等极端条件下有效阻断热传递，提高了锂金属电池的热安全性。
        相关研究成果发表于Science Advances期刊（Sci. Adv.,2024, 10, eadl4842）。论文第一作者为博士研究生张超辉，通讯作者为张娟副研究员、万立骏院士及郭玉国研究员。

　由美团青山科技基金资助的2021年首届“青山科技奖”评选揭晓，9名科研人员获奖。
　　化学所郭玉国研究员获得首届青山科技奖。
　　郭玉国研究员主要从事能源电化学与纳米材料的交叉研究，围绕锂离子电池和下一代高能量密度二次电池开展了系统研究，研制出多种新型储能电极材料，揭示了几种新型二次电池体系的电化学反应机理，实现了高性能锂离子电池电极材料的规模化制备与应用，推动了锂离子电池、锂硫电池、钠离子电池及固态电池的科学与技术进步。
　　首届青山科技奖重点关注绿色低碳包装材料、碳捕集及资源化利用、低碳运输及储能三大议题，资助在材料科学、化学、化学工程、环境科学、能源科学等领域有关键推动作用、在中国内地或港澳地区工作的45周岁及以下青年科研工作者，奖励不超过10人。

2020年9月10日，北京市科学技术奖励大会召开，颁发了北京市科学技术奖首届人物奖，并为获奖项目颁奖。化学所郭玉国研究员荣获杰出青年中关村奖。

　　郭玉国研究方向为能源电化学与纳米材料。提出利用“纳米三维导电网络”进行锂离子动力电池用高倍率电极材料结构设计思想，研制出高效稳定的高容量纳微复合结构硅基负极材料和低温性能优异的正极材料，建立了中试生产线，实现了规模化生产和应用；发现纳米孔道限域的链状小硫分子和硒分子的新奇电化学反应机理，研制了高能量密度锂-硫和锂-硒电池；提出多种锂金属保护和固体电解质设计策略，推动了固态金属锂电池和凝胶聚合物储能电池的科学与技术进步。
　　2019年，北京市科学技术奖首次设立突出贡献中关村奖、杰出青年中关村奖、国际合作中关村奖；首次分设自然科学奖、技术发明奖、科学技术进步奖。

为热烈庆祝建党99周年，教育和激励广大党员、党务干部和基层党组织积极投身“率先行动”计划、建设世界科技强国，中国科学院北京分院分党组评选表彰了一批优秀共产党员、优秀党务工作者和先进基层党组织。 化学所郭玉国同志获得中国科学院科技创新发展中心（北京分院）优秀共产党员荣誉称号。

吴雄伟&郭玉国 AEM：设计具有粘弹性和不可燃性的界面层实现无枝晶高安全的固态金属锂电池

湖南农业大学的吴雄伟（通讯作者）和中科院化学所郭玉国研究员，在Advanced Energy Materials期刊上发表题为“Viscoelastic and Nonflammable Interface Design–Enabled Dendrite-Free and Safe Solid Lithium Metal Batteries”的研究性论文。该工作基于复合的聚合物固态电解质设计了一层具有粘弹性和不可燃性的界面层来解决金属锂负极与固态电解质的接触问题和金属锂枝晶的生长问题。

本文提出了一个通过设计粘弹性界面同时该界面具有不可燃性来改善电极与固态电解质界面接触的方案。复合聚合物电解质具有宽的电化学窗口，高离子电导率，和良好的热稳定性。粘弹性且不易燃的离子液体界面可在正极中构建有效的Li+传输途径，并在负极和正极界面维持界面稳定性。Li | LFP和Li | LCO电池都具有优异的倍率性能和长循环性能。此外，SEM和AFM等表征也证明光滑均匀的Li电极表面而没有枝晶形成。无论是从正极还是负极处，粘弹性离子液体层都能成功地改善固态锂金属电池中的界面问题。这一发现为优化固体锂金属电池中电极和固体电解质之间的界面提供了实用且有前景的途径。

Viscoelastic and Nonflammable Interface Design–Enabled Dendrite-Free and Safe Solid Lithium Metal Batteries. (Adv. Energy Mater., 2019, 1803854. DOI: 10.1002/aenm.201803854)

中国科学院人事局正式公示了2018年度中国科学院青年科学家奖获奖候选人，共有10位青年学者入选。郭玉国入选
10位青年学者来自中国科学院各大研究所和中国科学技术大学，基本都在各自领域取得突出成果，多位学者获国家杰出青年基金项目。
郭玉国，男，1978年出生。2004年于中国科学院化学研究所获博士学位。2004-2006年在德国马普固体研究所从事博士后研究工作。2006-2007年被聘为马普固体研究所Staff Scientist。2007年入选化学所“引进国外杰出青年人才计划”，加入中科院分子纳米结构与纳米技术院重点实验室任研究员、博士生导师、课题组长。2012年获得“国家杰出青年基金”支持，并入选中央组织部“万人计划”首批青年拔尖人才。
研究工作主要集中在锂离子电池、锂硫电池等能量转化与储存器件中功能纳米结构材料的设计、制备、组装、结构和性能关系的基础科学研究和应用探索，系统研究了纳米能源材料的热力学、动力学与表界面稳定性问题，以及纳米体系离子、电子存储与输运过程中的尺寸效应，探索出特色调控和解决途径，研制出性能优异的锂二次电池电极材料并实现了规模化制备与应用。

郭玉国Angew.：Li-Al合金媒介调控锂沉积行为

不受控的锂枝晶生长会导致电池库伦效率降低和严重的安全问题。在本文中，中科院化学所的郭玉国研究员通过原位电化学过程制备了一种亲锂的二元Li-Al合金用于调控金属锂的成核与生长，同时避免锂枝晶的产生。同时，这种Li-Al合金还能够作为Li+储存器来补充金属锂的损失，实现稳定的长期循环。这种受保护的Li负极在对称电池中表现出长达1700小时的循环寿命。

Ye Y,Zheng J, et al. Guiding Uniform Li Plating/Stripping via Lithium Aluminum Alloying Medium for Long-Life Li Metal Batteries[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2018.

DOI: 10.1002/ange.201811955

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/ange.201811955?af=R

Sci. Adv.：原位凝胶技术改性传统液态电解质用于锂金属电池

高能量密度的锂金属电池被认为在下一代储能系统中会发挥十分重要的作用。然而，在液态电解质中不受控的锂枝晶生长严重限制了锂金属电池的实际应用。因此，对于锂金属电池来说将传统的液态电解质改性为固态或者准固态显得十分重要。近日，郭玉国研究员团队报道了一种原位凝胶技术能够将液态电解质转变为新型的准固态凝胶聚合物电解质。该方法是通过向含有DOL/DME的醚类电解液中添加LiPF6诱导阳离子聚合实现的。这种新型的凝胶电解质不仅对锂金属负极起到了保护作用，同时对于包含S、LiFePO4、NCM622在内的正极体系都表现出良好的相容性。

Liu F,Wang W, et al. Upgrading traditional liquid electrolyte via in situgelation for future lithium metal batteries[J]. Science Advances, 2018.

DOI:10.1126/sciadv.aat5383

http://advances.sciencemag.org/content/4/10/eaat5383

Adv.Sci.：具有三维网络结构的双盐凝胶聚合物电解质用于无枝晶锂金属电池

锂金属电池由于具有超高的能量密度因而在储能领域表现出了巨大潜力。然而，在传统的液态电解质体系中构建稳定的固态电解质界面（SEI膜）和抑制枝晶状锂的生长十分困难。固态电解质和凝胶电解质被认为有希望抑制锂枝晶的生长，但是它们又受到低离子电导率和界面相容性差等问题。郭玉国研究员等设计了一种具有三维网络结构的双盐凝胶聚合物电解质用来解决这些问题。这种三维凝胶聚合物电解质是利用原位聚合的方法在聚合物网络中引入双盐组分，因此其室温离子电导可达0.56 mS/cm，并且能够在负极界面处构筑稳定坚固的SEI膜。因此，采用三维凝胶聚合物电解质组装的锂金属电池能够有效减小枝晶的生长，在循环300周后能够实现高达87.93%的容量保持率。该项工作为设计锂金属专用电解质提供了新的方法。

Fan W, Li N, Zhang X, et al. A Dual-Salt Gel Polymer Electrolyte with 3D Cross-Linked Polymer Network for Dendrite-Free Lithium Metal Batteries[J]. Advanced Science, 2018.

DOI: 10.1002/advs.201800559

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/advs.201800559?af=R

中科院化学所JACS：离子导体层减弱正极-固态电解质的界面电位，增强固态电池的界面动力学

锂离子电池是目前商业化应用较为广泛的新能源器件。但是锂离子电池不能在高温、高压、含水等特殊场合使用，因为锂离子电池在这些场合下存在严重的安全问题。其中最主要的就是锂离子电池的电解液是液态的，容易发生泄漏、分解和变质等问题，导致电池发生爆炸、泄漏和失效等问题。因此开发不含液态电解质的固态电池就变得尤为重要。其中，由于空间电荷层导致的界面问题是影响高功率密度固体电池性能的重要因素，包括正极与固态电解质界面上的接触不良、极化增加等。

近日，中科院化学所的郭玉国研究员和万立骏院士课题组，将优质的离子导体缓冲层Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3修饰到LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2上，减轻极化现象，提高动力学特性。采用具有界面电势分析功能的原子力显微镜，研究修饰后正极的优异动力学的形成机理，揭示界面缓冲层对电势分布和极化的影响。研究发现固态电池具有优异的循环稳定性和较高的倍率性能，这有助于固态电池中界面问题的研究。相关成果以“Mitigating Interfacial Potential Drop of Cathode–Solid Electrolyte via Ionic Conductor Layer To Enhance Interface Dynamics for Solid Batteries”为题发表在JACS上。

中国科学院化学研究所郭玉国：一种层状−隧道共生结构的高性能钠离子电池正极材料

随着化石燃料的快速消耗，二氧化碳的大量排放所导致的温室效应和环境问题也越来越严重，发展大规模的高效清洁储能技术受到各国科研工作者的关注。近年来钠离子电池作为下一代大规模储能器件由于全球分布广泛的钠资源，价格低廉的钠盐成本以及与锂离子电池类似的化学性质成为研究热点。其中，层状过渡金属氧化物NaxMnO2材料，因其只含有地球丰度高的元素并拥有高理论容量是目前最有希望实现商业化的钠离子电池正极材料之一。P2型Na0.7MnO2正极材料理论容量可高达182.0 mAh g−1，但是材料中Mn3+含有高自旋的t2g3eg1电子态结构会发生姜泰勒晶格畸变效应使材料循环稳定性大幅度降低；而且因为其狭窄的二维钠离子扩散通道的限制作用，其倍率性能也会受到严重的影响。与此相比，隧道结构Na0.44MnO2正极材料具有较好的结构稳定性以及可供钠离子快速扩散的较大S型通道，所以具有优异的的循环稳定性和倍率性能。但是其较低的理论比容量 (121.4 mAh g−1) 严重影响了其实际应用. 如何通过合理的结构调制策略同时实现两者的优势以及深入分析其协同作用机理就显得尤为关键。

近日，中国科学院化学研究所郭玉国研究员和四川大学化学工程学院郭孝东副教授合作在国际知名期刊Advanced Energy Materials上发表了题为“A Layered–Tunnel Intergrowth Structure for High-Performance Sodium-Ion Oxide Cathode”的相关研究成果。博士研究生肖遥和王鹏飞（共同一作）通过合理的结构调制策略设计出了一种层状隧道共生结构的高性能钠离子电池正极材料。此类材料不仅继承了Na0.7MnO2正极材料高容量的优势，其相应的电极在0.2C下能够发挥198.2 mAh g−1的比容量而且相应的能量密度能达到520.4 Wh kg−1，并保留了隧道结构Na0.44MnO2正极材料的优异的循环稳定性和倍率性能。同时，其协同作用机理也通过电化学方法结合原位XRD手段进行了详细并深入的分析。

由于全球分布广泛的钠资源以及价格低廉的钠盐成本，钠离子电池有望应用于未来大规模储能领域。层状过渡金属氧化物正极材料是目前最有希望实现商业化的正极材料之一，根据钠离子在过渡金属层间的占位方式不同和单位晶胞氧层堆积方式的差异，层状正极材料热力学稳定相主要分为P2型和O3型两类。相比于O3型正极材料，钠离子占据八面体位点，氧层以ABCABC的方式排列。P2型正极材料中，钠离子采取三棱柱的占位方式，氧层排列为ABBA，钠离子在三棱柱中占位有两种方式，一种是与相邻上下过渡金属氧化层中八面体共边的Nae，另一种为共面的Naf。由于其独特的占位方式以及强Na+-Na+静电相互作用，很多P2型正极材料在钠层就表现出明显的钠空位有序的排布。这就造成这类正极材料在脱嵌钠离子过程中会发生不同钠空位有序之间的重排，因此这类材料在充放电曲线上会出现很多电压平台，进一步限制了其在高倍率下的循环性能。那么如何消除钠层钠空位有序的排布，设计一种钠空位无序的高倍率P2型正极材料就显得尤为关键。

最近，中国科学院化学研究所郭玉国研究员和中国科学院物理研究所谷林研究员选取了典型的P2-Na2/3Ni1/3Mn2/3O2 (P2-NaNM)材料为模型研究体系，通过合理的结构调制策略设计出了一种钠空位完全无序的P2-Na2/3Ni1/3Mn1/3Ti1/3O2 (P2-NaNMT)正极材料。组装钠离子电池测试表明钠空位无序彻底消除了由于钠空位有序重排造成的电压平台，整个电化学过程完全为斜坡式的固溶体反应，从而大幅度提高了P2型正极在高倍率下的电池性能。基于第一性原理密度泛函理论计算表明，钛的引入缩小了Nae和Naf之间的位能差，显著了提高了钠离子在过渡金属层间的扩散性质。这通过恒流间歇滴定法结合第一性原理分子动力学模拟得到进一步验证（钠离子扩散系数在10-10 cm2 s-1量级，扩散活化能170 meV）。该工作近期以"Na+/vacancy disordering promises high-rate Na-ion batteries”为题发表在期刊Science Advances上。