研究

储能是能源革命的关键支撑技术,发展储能是促进风能和太阳能等高比例可再生能源并网消纳的重要手段,是提升关键装备与系统自主可控能力,实现我国能源结构转型和能源供给安全的关键,也是实现碳达峰、碳中和亟需关键共性支撑技术。

本课题组以永续发展为目标,在能源材料及能源化学领域,尤其是锂金属、锂硫电池、能源电催化从事创新研究,具体研究工作包括:

1)锂电池能源化学:锂键化学、离子溶剂复合结构、金属锂能源化学、电解液化学

锂的能源化学是锂电池能源转化与存储的内在基础。本课题组以锂的能源化学为研究对象,通过开发理论计算和实验表征等手段,探究锂电池内锂或锂离子的结构形态(与其他原子、分子之间的相互作用),输运机制,化学/电化学反应热力学和动力学及时空间行为等,涉及电子、原子、分子、材料等多尺度,重点研究锂键化学、电解液溶剂化化学、电极/电解液界面形成机理及电荷转移机制等,以指导电极、电解液和界面调控。

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2)金属锂负极领域:高安全,高能量密度,长循环的复合金属锂负极,固态金属锂电池

金属锂负极是高比能电池的共性支撑材料,稳定的金属锂负极是推进高安全、高比能电池的实用化的关键。本课题组从实用化条件出发,揭示实用化条件下限制金属锂负极稳定性的关键科学和技术问题;以复合负极结构设计、亲锂负极材料开发、新型电解液及人工界面设计等方案,构筑长循环、高比容量的复合金属锂负极;为构筑高比能液态、固态金属锂软包电池提供解决方案,推进高比能金属锂电池的高效安全利用。

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3)锂硫电池:长循环,低成本,高比能的锂硫电池

锂硫电池具有高达2600 Wh kg−1的理论能量密度,被认为是极具前景的下一代储能技术之一。针对锂硫电池中关键的能源电化学过程,课题组开展了一系列反应机制研究与策略调控工作,包括构筑正极骨架提升电子离子输运能力,设计均相/非均相动力学促进剂提升正极反应动力学,调控多硫化物离子溶剂复合结构提升反应可逆性,保护金属锂负极抑制副反应发生,进而实现高能量密度锂硫软包电池的构筑与稳定循环,从基础理解、方法策略和宏观应用的尺度提供了新的理解。

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4)能源电催化:锌空气电池、氧还原/氧析出催化剂、三相电催化

以锌空气电池为代表的二次金属空气电池因具有能量密度高、成本低、环境友好、安全可靠等优势而受到广泛关注,其中空气正极侧三相界面处氧析出/氧还原反应缓慢的动力学是电池性能的主要限制因素。针对上述问题,课题组提出了阴离子调控的策略并发展了一系列精准合成方法提升非贵金属催化剂的本征活性,设计了强耦合界面促进界面电荷转移,构筑了三维多级结构空气正极,实现了高活性双功能氧析出/氧还原非贵金属催化剂的构筑与锌空气电池在高倍率与大容量下的稳定循环。

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5)机器学习和人工智能指导能源材料设计与开发

计算机技术的快速发展极大地推动了基于大数据的能源材料设计与开发新范式,有望大幅降低材料设计开发的时间周期和经济成本。一方面,构建基于密度泛函理论、分子动力学模拟和相场理论的多尺度模拟方法,在分子层面建立能源材料体系大数据库,定量理解功能材料的构效关系,从而实现能源材料的理性设计与高通量开发。另一方面,基于锂电池相关能源体系微观机理的理解,做好理论与实践的结合,在实验数据的基础上,精准预测电池循环寿命、高低温性能。

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