環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院以 “六新” 引領(lǐng)為導(dǎo)向，圍繞學(xué)?！霸?、網(wǎng)、荷、儲(chǔ)”的發(fā)展布局，持續(xù)優(yōu)化學(xué)科布局、推進(jìn)研究方向聚焦。近日，多位教師憑借其卓越的科研實(shí)力，在國(guó)際頂級(jí)期刊上發(fā)表多項(xiàng)儲(chǔ)能電池領(lǐng)域的研究成果，在學(xué)術(shù)界和行業(yè)內(nèi)引起廣泛關(guān)注。
在高安全水系電池領(lǐng)域，學(xué)院青年教師丁昆博士、劉海梅教授及團(tuán)隊(duì)，通過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，成功開(kāi)發(fā)出一種高容量的p型有機(jī)陰極材料——5,12-二氫-5,6,11,12-四氮雜四蒽（DHTAT），為水系鋅離子電池的開(kāi)發(fā)提供了新的思路，并為提升電池的低溫性能和循環(huán)穩(wěn)定性開(kāi)辟了新方向。該團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，DHTAT在電荷存儲(chǔ)過(guò)程中，主要通過(guò)-NH-基團(tuán)的氧化還原反應(yīng)實(shí)現(xiàn)雙電子轉(zhuǎn)移，其在電流密度為50 mA g-1時(shí)具有224 mAh g-1的高容量，且在5 A g-1的高電流密度下，經(jīng)過(guò)5000次循環(huán)后，容量保持率仍然高達(dá)73%。此外，DHTAT材料在-40℃的低溫下也展現(xiàn)了出色的循環(huán)穩(wěn)定性，能夠在1 Ag-1下穩(wěn)定循環(huán)4000次，表明其在低溫條件下同樣具有較好的應(yīng)用前景。相關(guān)成果以“A High Capacity p-Type Organic Cathode Material for Aqueous Zinc Batteries”為題，發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)期刊《Angewandte Chemie International Edition》（JCR一區(qū)，IF=14.310）。
圖1. 用于水系鋅離子電池的DHTAT的設(shè)計(jì)與合成
針對(duì)低溫下鋰金屬電池的充放電效率問(wèn)題，學(xué)院青年教師鞏帥奇博士、高慶偉副教授和閔宇霖教授及其團(tuán)隊(duì)，通過(guò)調(diào)節(jié)弱溶劑化電解質(zhì)的溶劑化結(jié)構(gòu)，突破了低溫環(huán)境下的離子遷移障礙，顯著改善了電池的低溫充放電性能。該團(tuán)隊(duì)研究表明，采用優(yōu)化電解質(zhì)后，Li||LiFePO?電池在零下40℃的低溫下依然能夠保持較高的循環(huán)穩(wěn)定性，經(jīng)過(guò)超過(guò)1400個(gè)充放電循環(huán)后，容量保持率高達(dá)86.9%。為儲(chǔ)存系統(tǒng)在低溫條件下的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)，也為低溫快速充電的鋰電池應(yīng)用提供了有力技術(shù)支撐。相關(guān)成果以“Breaking Aggregation State to Achieve Low-Temperature Fast Charging of Lithium Metal Batteries”為題，發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)期刊《Angewandte Chemie International Edition》（JCR一區(qū)，IF=14.310）。
圖2. 弱溶劑化電解質(zhì)用于低溫鋰金屬電池的設(shè)計(jì)
針對(duì)目前聚合物固態(tài)鋰金屬電池面臨的離子電導(dǎo)率低、倍率性能差的問(wèn)題，學(xué)院青年教師徐巾婷博士、鞏帥奇博士和閔宇霖教授及其團(tuán)隊(duì)，通過(guò)引入多功能異質(zhì)結(jié)鐵電填料，在聚合物固態(tài)電解質(zhì)內(nèi)部打造快速離子傳輸通道，通過(guò)壓電、鐵電效應(yīng)抑制鋰枝晶的生長(zhǎng)。該團(tuán)隊(duì)的研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)在聚合物固態(tài)電解質(zhì)中引入由鈦酸鋇與二硒化鉬制備成的異質(zhì)結(jié)材料，使得Li||LiFePO4（LFP）電池在25°C、5C的高倍率下仍然能夠循環(huán)超過(guò)1500圈，容量保持率達(dá)82.6%。這一成果不僅優(yōu)化了聚合固態(tài)電解質(zhì)中離子傳輸緩慢的問(wèn)題，也為快速充放電設(shè)備用電池提供了合理的技術(shù)支持，相關(guān)成果以“Heterojunction ferroelectric materials enhance ion transport and fast charging of polymer solid electrolytes for lithium metal batteries”為題，發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)期刊《Advanced Energy Materials》（JCR一區(qū)，IF=21.27）。
圖3. 介電效應(yīng)對(duì)于聚合物電解質(zhì)離子傳輸?shù)拇龠M(jìn)作用
針對(duì)鋰電池含氟電解液污染的問(wèn)題，學(xué)院青年教師朱晟副教授、徐巾婷博士和鞏帥奇博士及其團(tuán)隊(duì)，提出通過(guò)高氯酸鋰和硝酸鋰的原位分解構(gòu)建Li3N/Li2O異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面層，以替代SEI中LiF的作用。該團(tuán)隊(duì)的研究表明，Li3N/Li2O異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面層，在實(shí)際應(yīng)用條件下（100 μm鋰負(fù)極，N/P比為3.09，1.5 Ah軟包電池），無(wú)氟鋰金屬電池在100次循環(huán)后仍保持77.93%的容量，證明了該策略的優(yōu)越性和實(shí)用價(jià)值，相關(guān)成果以“Construction of a Fluoride-Free and High-Voltage Lithium Metal Battery with a Li3N/Li2O Heterostructure Solid Electrolyte Interface”為題，發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)期刊《Advanced Functional Materials》（JCR一區(qū)，IF=18.5）。
圖4 Li3N/Li2O異質(zhì)結(jié)構(gòu)界面層設(shè)計(jì)機(jī)理
環(huán)化學(xué)院教師近期在國(guó)際頂級(jí)期刊集中發(fā)表多項(xiàng)儲(chǔ)能電池研究成果，不僅是對(duì)他們個(gè)人科研能力的高度認(rèn)可，更是學(xué)院堅(jiān)持“六新”發(fā)展理念為引領(lǐng)的有力見(jiàn)證。未來(lái)，環(huán)化學(xué)院將繼續(xù)秉持創(chuàng)新精神，在科研道路上砥礪前行，創(chuàng)造更多卓越成果，為儲(chǔ)能電池領(lǐng)域的發(fā)展乃至社會(huì)的進(jìn)步做出更大貢獻(xiàn)。
環(huán)化學(xué)院 鞏帥奇 供稿