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【研究室总体介绍】

    清洁能源材料研究室隶属于北京科技大学粉末冶金研究所,共有教师3人。本研究室以“清洁能源材料及器件”为总体研究方向,以基础研究和应用问题的解决为目标,研究清洁能源材料的理论基础和材料制备中的若干科学问题,解决清洁能源材料在应用中存在的相关重要基础科学问题。具体研究方向有:锂离子电池关键材料、超级电容器关键材料、储氢材料、新型碳材料、功能纳米复合材料、轻质热传导材料、电磁屏蔽材料、介电与微波吸收材料、磁性材料等。承担了国家973、863、国家自然科学基金以及省部级和企业合作开发项目等多项课题。与美国、英国、德国、日本等地的大学、科研机构中的国际同行建立了友好的科研合作关系,同时与国内多家企业建立了长期稳定良好的合作关系。

【研究室成员介绍】

范丽珍 李  平 刘永畅

范丽珍  教授,博士生导师

李  平  教授,博士生导师

刘永畅  副研究员

【研究室主要研究内容及科研成果】

1、锂离子电池关键材料

    锂电池体系作为一种高效的储能装置备受青睐,已经广泛用于便携式电子器件(手机、笔记本等),目前正应用于新能源电动汽车、智能电网及清洁能源(风能和太阳能)大规模储能中,从而降低人类对化石能源的过度依赖,减低二氧化碳及相关废弃排放,减少温室气体对全球气候的影响以及对城市的空气污染。

    本研究室主要研究锂离子电池正、负极、电解质、隔膜等材料的制备合成、改性方法以及材料的结构、形貌与电化学性能和加工性能之间的关系。通过完善和改进材料合成工艺技术、包覆与掺杂等技术;形貌及粒度控制技术等,提高热稳定性,提高倍率充放电性能,提高高低温充放电性能,进一步提高材料的容量和效率,通过控制材料形貌以提高振实密度,提高材料的电极可加工性;规模生产的产品均匀一致性及批次稳定性技术等。该工作目前获得国家973计划、国家自然基金等项目的支持,在Adv. Mater., Adv Funct. Mater., Electrochem. Commun., Nanoscale, J. Power Sources, Electrochim. Acta等国际著名刊物上发表SCI收录相关论文40余篇,获授权专利10项。

2、超级电容器关键材料

    超级电容器是性能介于传统电容器和电池之间的一种新型绿色能源存储器件。超级电容器兼有电池的高比能量和传统物理电容器的高比功率,在电动汽车、混合燃料汽车、特殊载重汽车、电力、铁路、通信、国防、消费性电子产品等众多领域有着巨大的应用价值和市场潜力,发挥着电池和传统电容器不可替代的作用,被世界各国所广泛关注。与传统的二次电池相比,超级电容器具有长寿命、高功率密度的特点,但是能量密度较低。因此目前超级电容器的研究重点是在保持功率密度的基础上,大幅提高能量密度(包括提高电极材料的比容量和宽化工作电压)。在电极材料显微结构和电池构造两个层次上进行设计是可能实现突破的一个热点研究方向。

    本研究室在纳米碳材料的结构控制、表面改性以及导电聚合物和氧化物活性材料的纳米化、多孔化及形成碳基纳米复合材料方面做了一系列工作。较为系统的研究了多孔碳制备、化学组成、孔结构与电化学储能的关联性;率先提出以生物质衍生物为前驱体低温绿色合成多孔碳材料;最早把块状的多孔铸型炭用于负载具有赝电容的活性材料;深入研究了氧化石墨烯还原过程中官能团变化与电化学储能的关联性;采用电化学方法、软模板法、界面聚合法可控合成具有高比容量的聚吡咯、聚苯胺以及氧化锰电极材料。该工作先后获得国家自然科学基金、北京市科技新星、教育部新世纪优秀人才计划以及教育部基本科研业务费的支持,在Adv. Mater., Adv. Fucnt. Mater., J Mater. Chem. A, Carbon, Electrochem. Commun., Electrochim. Acta, Nanotechnology, J. Mater. Chem. C等国际著名刊物上发表SCI收录论文30余篇,获授权专利6项。

3、轻质热传导材料

    电子器件及设备的主要部件(如CPU,LED 显示屏等)在工作中会产生大量的热量,高热传导材料及时将产生的热量通过热传输的形式转移,降低主要工作部件的局部温度,是保证器件和设备的正常工作的重要部件。此外,热防护系统在航天(空天)飞行器上的关键部件之一,热容吸热式热防护材料具备较高的热导率、高熔点和比热容高的特点,当外界温度急剧变化时,该材料能迅速散热。随着各类电子通信器件和航天部件的轻质化,对轻质、薄层、高效热导材料的需求也越来越迫切。虽然传统的金属材料(金、银、铜)有着优异的传热性能,然而其耐腐蚀性较差,密度较大,制约热导材料的轻质化和服役寿命。因此,开发低密度高热导性能材料,在电子和航空领域具有非常诱人的应用潜力。

    本研究室与美国NASA合作研制出了一系列低密度、具有高传导性能的非金属材料。相关工作发表在Angew. Chem. Int. Ed., J. Mater. Chem.等国际权威期刊上。

4、电磁屏蔽材料

    笔记本电脑和移动电话等电子产品都会因高频电磁波干扰产生杂讯,影响通讯品质。因此防电磁干扰已是必备而且势在必行的制程。传统的金属基电磁屏蔽材料,由于其耐腐蚀性差,密度高等缺点,限制了其应用市场和服役寿命。因此,高性能的轻质柔性电磁屏蔽材料,能广泛应用于通讯制品、电脑、便携式电子产品、消费电子、网络硬件(服务器等)、医疗仪器、家用电子产品和航天及国防等电子设备中,具有非常可观的市场价值。本研究室研制出了一系列新型碳基电磁屏蔽材料,相关工作发表在Carbon, Nanotechnology等国际权威期刊上。

5、介电与微波吸收材料

    微波吸收材料是一种能吸收微波、电磁能而反射与散射较小的材料。又称雷达吸收材料或雷达隐身材料。吸收微波的基本原理是通过某种物理作用机制将微波能转化为其他形式运动的能量,并通过该运动的耗散作用而转化为热能。微波吸收材料应具有良好的吸波性能,即有高于要求的阈值的微波吸收率和宽的吸收频带,同时应具有小的厚度和面密度,良好的力学性能和抗环境性能。本研究室开发出了一系列新型轻质微波吸收材料,相关工作发表在J. Mater. Chem. C, ACS Appl. Mater. Interfaces, Appl. Phys. Lett等国际权威期刊上。

6、储氢材料

    氢能是21世纪最重要的新能源之一,氢的储存是氢能应用的关键环节,固态储氢是一种安全高效的储存方式。课题组研究的材料体系包括AB5型、AB2型、AB3型、AB3.5型、A2B型,Mg系和络合物等,在快速凝固、低温球磨、放电等离子烧结、磁场处理等特种工艺方面具有一定的研究特色,在储氢材料的应用方面开展了氢气贮存、镍氢电池、氢气回收净化、储氢合金储热方面的研究工作。该工作获得国家863、国家信息产业部、国防科工委、国家自然科学基金、广东省产学研、国家智能电网研究院等项目的支持,在J. Phys. Chem. C, J. Power Sources等刊物上发表学术论文40几篇。获发明专利10余项。

7、磁性材料

    磁性材料是一种重要的功能材料。课题组先后开展了Nd-Fe-B、铁氧体等永磁材料和Fe-Ni、Fe-Ni-Mo、Fe-Si-Al、铁氧体等软磁材料。研制的温度补偿合金成功地应用到陀螺仪辐向磁环,使NdFeB保持了高的磁性能的基础上,具有极好的温度稳定性,该研究成果获得了成果鉴定。在磁性材料方面获有色金属工业科学技术将二等奖1项;获教育部技术发明奖二等奖1项;或国防科学技术进步奖三等奖1项。

【研究室承担科研項目】

  • 1、973项目:基于新型三维纳米结构的储能锂二次电池重要基础问题研究,100万,2013-2017;
  • 2、青年973项目:柔性能源存储装置中的关键基础科学问题,100万,2014-2019;
  • 3、国家自然科学基金面上项目:纳微结构多孔碳/金属氧化物复合材料的制备、修饰及超级电容特性,80万,2013-2017;
  • 4、国家自然科学基金面上项目:全固高比能量锂离子电池聚合物电解质与正负电极的作用机制,60万,2012-2015;
  • 5、国家自然科学基金面上项目(青年):宽频段石墨烯/磁性颗粒异质结构电磁屏蔽与微波吸收材料及其衰减吸收机制,25万,2014-2016;
  • 6、教育部博士点基金项目:多孔碳/金属氧化物复合材料的制备、修饰及超级电容特性研究,12万,2014-2016;
  • 7、国家工业和信息化部、财政部稀土产业调整升级专项项目:太阳能集热发电用稀土-镁金属氢化物高温储热材料及装置,316万,2012-2014;
  • 8、国家工业和信息化部、财政部稀土产业调整升级专项项目:钕铁硼氢破尾气中氢气回收净化用高效稀土储氢材料,418万,2013-2015;
  • 9、国家自然科学基金面上项目:聚合物/储氢合金复合材料用于氢气回收的基础问题研究,80万,2015-2019;
  • 10、国网智能电网研究院,电网用储氢材料适用性分析及氢储能技术前期研究,18万,2014-2014

【研究室团队建設】

    研究与教育并重,为国家培养高层次人才。利用坚实的科研实验基地、高水平的科研成果,对各个层次的学生进行不同层次的培养。使本科生在思想上追求求实、创新,在知识体系上形成系统;使硕士研究生获得全面的科学观、实验观、方法论;使博士研究生能够获得创新思想、方法、技能的全方位、深入化培养,成为具有“真正”独立从事“创新性”科研工作能力的高级人才。

 
 
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