北理工先進(jìn)結(jié)構(gòu)技術(shù)研究院方岱寧院士團(tuán)隊(duì)在能源類頂級期刊Adv. Energy Mater.上發(fā)表文章
發(fā)布日期：2018-08-30 供稿：先進(jìn)結(jié)構(gòu)技術(shù)研究院
編輯：吳楠 審核：楊亞政 閱讀次數(shù)：
鋰資源在地殼中含量匱乏，我國鈷資源長期依賴于進(jìn)口，僅鋰離子電池三元正極材料的成本占到了國內(nèi)動力鋰離子電池生產(chǎn)企業(yè)四大關(guān)鍵材料（正極，負(fù)極，電解質(zhì)，粘結(jié)劑）成本的50%以上，并呈現(xiàn)每年遞增的趨勢；另一方面，我國石墨產(chǎn)量全球前三，同時炭質(zhì)資源非常豐富，如果能夠基于富礦炭質(zhì)資源發(fā)展低成本高性能儲能電池，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)低成本炭質(zhì)資源的增值與高效利用，更重要的是能夠?yàn)榫徑怃囐Y源與鈷資源帶來的資源緊缺問題尋求更優(yōu)的替代方案。雙離子電池是一種正負(fù)極活性材料均可以采用石墨的非常規(guī)電池，不僅具有高電壓窗口（3~5 V），并且可以通過調(diào)控陰陽離子尺寸控制嵌入正負(fù)極石墨電極的狀態(tài)，獲得性能可調(diào)控，電壓窗口可調(diào)控的低成本儲能電池。
近期，在方岱寧院士的指導(dǎo)下，團(tuán)隊(duì)陳浩森、宋維力副教授等與北京科技大學(xué)焦樹強(qiáng)教授團(tuán)隊(duì)密切合作，基于自主發(fā)展的原位電池力學(xué)/電化學(xué)耦合可視化表征技術(shù)，在雙離子電池力學(xué)/電化學(xué)耦合方面取得重要進(jìn)展，相關(guān)成果在國際頂級期刊Advanced Energy Materials（2017年影響因子21.875）上發(fā)表。該工作基于石墨與生物質(zhì)等富礦炭資源，通過生物質(zhì)衍生物發(fā)展超輕三維網(wǎng)絡(luò)炭集流體，并在此集流體上負(fù)載石墨活性物質(zhì)，獲得了全炭電極；通過正負(fù)極電荷匹配，集成了正負(fù)極均為全炭電極的全炭雙離子電池。從而有望同時解決了目前雙離子電池中存在三個關(guān)鍵問題：（I）傳統(tǒng)金屬集流體負(fù)載活性物質(zhì)占比偏低的問題，（II）傳統(tǒng)金屬集流體電化學(xué)腐蝕的問題，（III）石墨正極體積變形嚴(yán)重的問題。該全炭雙離子電池的實(shí)現(xiàn)為發(fā)展低成本、高性能、電化學(xué)穩(wěn)定，機(jī)械穩(wěn)定的雙離子電池提供了嶄新的思路，為炭質(zhì)資源的增值與高效利用拓展了新方向，為緩解傳統(tǒng)鋰離子電池中鋰資源與鈷資源緊缺問題提出了備選方案。
圖1 雙離子電池原位光學(xué)可視化平臺驗(yàn)證：（a）原位裝置示意圖，（b,c）全碳雙離子電池正極與傳統(tǒng)鋁集流體涂覆石墨正極的脫嵌陰離子體積變化圖，（d,e）截面厚度變化，（f）兩種正極對應(yīng)的體積變化率比較。
圖2 六種不同雙離子電池電化學(xué)性能：（a）CV，（b）EIS，（c）放電比容量，（d）倍率，（e）5C下長循環(huán)（1C="100" mA g-1）。ACE代表正負(fù)極均采用三維炭網(wǎng)絡(luò)集流體涂覆石墨構(gòu)造全碳電極與全碳雙離子電池。
北京理工大學(xué)博士生周志利與李娜為該工作共同第一作者，該工作受到了“973”計(jì)劃青年科學(xué)家專題項(xiàng)目（2015CB932500），自然科學(xué)基金（11672341，111572002），國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體科學(xué)基金（11521202），國家材料基因組計(jì)劃（2016YFB0700600），北京市基金（16L00001，2182065）的資助，在此特別感謝。
文獻(xiàn)鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.201801439
附團(tuán)隊(duì)介紹：
方岱寧，教授，博士生導(dǎo)師，中國科學(xué)院院士，北京理工大學(xué)副校長，先進(jìn)結(jié)構(gòu)技術(shù)研究院名譽(yù)院長兼首席科學(xué)家。主要從事力電磁熱多場耦合作用下先進(jìn)材料與結(jié)構(gòu)的力學(xué)理論、計(jì)算與實(shí)驗(yàn)方法研究。拓展了鐵電/鐵磁材料宏微觀變形與斷裂理論，在有限元分析與器件設(shè)計(jì)中獲得應(yīng)用；發(fā)展了輕質(zhì)多功能復(fù)合材料力電磁熱多場多尺度計(jì)算力學(xué)方法與設(shè)計(jì)制備方法，并將所制備的輕質(zhì)多功能材料與結(jié)構(gòu)應(yīng)用于國防裝備建設(shè)；發(fā)展了先進(jìn)材料力電磁熱多場多軸加載和測試技術(shù)與實(shí)驗(yàn)方法，將基礎(chǔ)研究成果轉(zhuǎn)化為十余種具有自主知識產(chǎn)權(quán)的科學(xué)儀器，并獲得推廣應(yīng)用。
方岱寧院士團(tuán)隊(duì)能源電池小組成立于2015年，由先進(jìn)結(jié)構(gòu)技術(shù)研究院陳浩森副教授與宋維力副教授共同負(fù)責(zé)，主要從事力化電熱多場耦合環(huán)境下的能源電池電極材料與結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制備、表征與儀器研制，成立3年以來，已經(jīng)在Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Mechanics of materials, ACS Nano, Energy Storage Materials, J Power Source等國際頂級期刊上發(fā)表高水平論文近20篇。團(tuán)隊(duì)常年招聘力學(xué)、電化學(xué)、材料等方向博士后研究人員，歡迎加盟方岱寧院士能源電池小組。
2018年方岱寧院士團(tuán)隊(duì)能源電池小組在力學(xué)/化學(xué)耦合下電池設(shè)計(jì)、制備、表征與原位實(shí)驗(yàn)裝置發(fā)表的系列文章。
1、雙離子電池系列：
(I) Na Li, Yaoda Xin, Haosen Chen,* Shuqiang Jiao, Hanqing Jiang, Wei-Li Song,* and Daining Fang. Thickness evolution of graphite-based cathodes in the dual ion batteries via in operando optical observation. Journal of Energy Chemistry, 2018 (In press).
DOI: 10.1016/j.jechem.2018.03.003
2、鋰金屬/鈉金屬電池系列：
(II) Yi-Sheng Hong,1 Na Li,1 Haosen Chen,* Peng Wang, Wei-Li Song,* and Daining Fang. In operando observation of chemical and mechanical stability of Li and Na dendrites under quasi-zero electrochemical field. Energy Storage Materials, 2018, 11: 118–126.
DOI: 10.1016/j.ensm.2017.10.007
3、鋰離子電池系列：
(III) Le Yang, Hao-Sen Chen,* Hanqing Jiang, Yu-Jie Wei, Wei-Li Song,* and Dai-Ning Fang. Failure mechanisms of 2D silicon film anodes: in situ observations and simulations on crack evolution. Chemical Communications, 2018, 54, 3997-4000.
DOI: 10.1039/c7cc09708e
4、鋁離子電池力學(xué)-化學(xué)耦合系列：
(IV) Peng Wang, Haosen Chen,* Na Li, Xinyi Zhang, Shuqiang Jiao,* Wei-Li Song,* and Daining Fang. Dense graphene papers: Toward stable and recoverable Al-ion battery cathodes with high volumetric and areal energy and power density. Energy Storage Materials, 2018, 13: 103–111.
DOI: 10.1016/j.ensm.2018.01.001
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