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晏成林教授团队在新型储能材料与器件领域取得系列重要进展

日期: 2015-12-07     阅读次数:1016

         近期,晏成林教授团队在高性能硅基锂电池与可穿戴能源器件研究方面取得系列重要进展,相关工作以通讯作者形式相继发表于Chemical Society Reviews (2015, CS-SYN-09-2015-000708.R2); Advanced Materials (2015, 10.1002/adma.201503221); Advanced Functional Materials (2015, 65, 6701); Advanced Energy Materials (2015, 5, 1401556); ACS Nano (2015, 9, 1198); Advanced Science (2015, 2, 201500113)等国外著名权威学术期刊。

         在传统能源日渐枯竭的今天,新能源是未来世界各国都必将重点发展的一个领域,而储能又是其中的重中之重。晏成林教授团队主要在储能器件与储锂机制方面开展研究工作,在锂电池电极材料的储锂性能调控与脱锂/嵌锂动态过程的原位反应机理研究方面有长期积累。硅基材料是目前最具应用前景的锂离子电池负极材料之一,但在实际应用方面仍存在循环性能差、制造成本高的关键瓶颈问题。而随着便携式移动电子产品、电动汽车、可再生能源等领域的突飞猛进的发展。因此,人们对更高能量/功率密度、更长寿命、更高倍率、更高安全和更低价格的锂离子电池器件的需求越来越迫切。课题组前期通过构造微型器件对固态电解质膜的组成以及表界面结构进行了深入细致的研究(Advanced Materials, 2014, 26, 7973;Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 2326)。近日,通过利用廉价冶金硅为原料成功获得了低成本高性能锂电池(Advanced Energy Materials,2015, 5, 1401556),并通过表面改性技术(Advanced Energy Materials, 2015, 5, 1401556))制备了长达560周电化学循环的高性能锂电池材料。由于表面氧化层对于硅体积变化的缓冲效应,其电化学容量平均每周仅下降万分之四,体现了极佳的电化学循环稳定性, 被Materials Views China网站选为研究新闻报道。

         该课题组曾提出利用界面特性可以有效提高固态离子导体的电导率的学术观点,并通过原位电化学手段证实了电化学诱导非晶化的机理。最近他们与其他科研工作者合作,通过在硅合金化电化学反应过程中调控应力缺陷和非晶化过程,获得了循环寿命高达2000周的硅复合锂电池材料,并且每100次循环只有3.3%的容量衰减ACS Nano (2015, 9, 1198)。该进展明确揭示了本征应力和非晶化转化的贡献,并解决了金属锂空气电池长期存在的过电势过高的问题(Advanced Science,2015, 2, 201500113))。结合碳材料与可穿戴能源技术研发未来发展应用趋势,课题组采用强氧化剥离等技术作成N含量9.89%的片状碳材料,其制备成首次容量高达489.8 mAh g?1,并且稳定循环2000圈以上的新型钠离子电池。通过特殊工艺制备柔性穿戴可充电设备,并成功应用于LED手环等柔性可穿戴设备(Advanced Materials, 2015, DOI: 10.1002/adma.201503221)。此项研究工作被Materials Views China网站选为亮点报道。

         鉴于课题组在微型储能材料与器件及储能机制方面的前期工作积累,英国皇家学会RSC旗下期刊Chemical Society Reviews(2015, 000708.R2, IF = 33.38)近期发表了课题组撰写的邀请综述论文。论文全面总结了课题组前期在大容量、长寿命和高功率薄膜电极材料与器件以及锂电池储锂机制与表界面问题研究方面的进展。并重点介绍了课题组通过构造微型锂离子电池采用原位测试手段解释Si材料在脱/嵌锂过程中非晶Li-Si合金形成的重要结果。以上结论揭示高容量负极储锂的微观机理,能大力推动高能量密度和高功率密度锂电池材料与器件的研究和应用。同时,该论文对薄膜储能储能材料与器件领域今后的发展方向进行了展望。



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