先进能源材料研究室

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先进能源材料研究室

【研究室总体介绍】

  先进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“先进能源材料及器件”为总体研究方向,以基础研究和应用问题的解决为目标,研究先进能源材料的理论基础和材料制备中的若干科学问题,解决先进能源材料在应用中存在的重要基础问题。具体研究方向有:锂离子电池关键材料与器件、全固态电池关键材料与器件、钠离子电池关键材料与器件、镁离子电池关键材料与器件、超级电容器关键材料与器件、复合电介质储能材料与器件、聚合物基复合材料、功能陶瓷材料等。承担了国家自然科学基金重点项目、面上项目、北京市自然科学基金重点项目以及国家重大研发计划等多项课题。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  刘永畅  胡澎浩  何平鸽  赵旭东


【研究室主要研究内容及科研成果】

1、全固态电池关键材料与器件

  全固态电池采用固态电解质替代传统有机电解液,有望从根本上解决电池的安全性问题,是电动汽车和规模化储能理想的化学电源。为了实现高能量密度和长使用寿命,进而推进全固态电池的实用化,电池关键材料的开发和性能的优化刻不容缓。

  本研究室主要致力于研究适用于全固态锂电池的具有高室温离子电导率和电化学稳定性的固态电解质以及适用于全固态电池的高能量电极材料、改善电极/固态电解质界面兼容性。通过优化合成工艺开发了高致密度、高离子电导率的氧化物陶瓷固体电解质;通过无机活性填料的掺杂,开发了具有高离子电导率、高机械性能、宽电化学窗口、可抑制锂枝晶生长的聚合物基复合固态电解质;利用熔融法制备出了三维无枝晶的锂金属/钠金属负极;基于全固态电池关键材料的研究,开发出了宽温度范围使用的全固态电池器件等。该工作目前获得国家自然科学基金重点项目、北京市自然基金重点项目、以及国家重大研发计划等项目的支持,在Phys. Rev. Lett., Adv Energy Mater., Adv. Funct. Mater., Nano Energy, ACS Appl. Mater. Interfaces, J. Electrochem. Soc.等国际著名刊物上发表SCI收录相关论文40余篇。


2、钠离子电池关键材料与器件

  钠离子电池凭借资源优势在大规模储能领域有重要应用前景。然而,钠离子较大的半径和质量限制它与电极材料的可逆反应,开发能够快速、稳定储钠的基质材料是提升钠离子电池性能的关键之一。此外,如何合理地优化电解质,匹配正负极材料,以实现高性能、高安全、低成本钠离子全电池的构建,尽早将其推向市场也是亟待解决的问题。

  本研究室针对钠离子电池面临的离子迁移动力学缓慢、循环寿命不足、能量密度低、电极材料储钠机理不明确等关键科学技术问题,长期致力于设计多孔微纳米电极材料用以提升钠离子电池性能,在理解材料的构效关系和电化学储钠机理的前提下,匹配正负极实现具有商用潜力的钠离子全电池构建。相关成果已发表于Adv. Mater., Nano Lett., Adv. Funct. Mater., Energy Storage Mater., Nano Res., J. Mater. Chem. A等权威期刊30余篇。

钠离子电池的工作原理及潜在用途

3、镁离子电池关键材料与器件

  镁离子电池资源丰富,价格低廉,安全环保,能量密度高,是很有应用前景的“绿色”二次电池。但受限于供镁离子可逆脱/嵌的正极材料缺乏,电解液与金属镁负极匹配性差等问题,镁离子电池的研究仍处于初级阶段。

本研究室瞄准镁离子电池面临的两大难点,旨在开发新型储镁正极材料,实现镁离子快速、稳定可逆脱/嵌,并理解其储镁机制,理清其构效关系;同时设计和制备高离子电导率、高机械性能的镁离子固体电解质材料,有效抑制镁金属负极表面钝化膜及枝晶生长,并解析电解质的镁离子传导机制;随后通过设计界面过渡层获得降低界面阻抗的有效方法,阐明界面调控机制,建立界面离子传输模型,实现电极/电解质的稳定兼容;最后采用一体化方式将所制备的正极材料,固体电解质,以及金属镁负极组装高性能、低成本、高安全的全固态镁离子电池,推动镁电池技术的发展进步,使其切实在新型能源存储领域发挥重要作用。相关成果发表在Mater. Horiz., J. Mater. Chem. A, Nanoscale, J. Power Sources等国际权威期刊。

“绿色”镁离子电池示意

4、锂离子电池关键材料与器件

  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、数码相机、笔记本电脑等),目前正应用于新能源电动汽车、智能电网以及清洁能源(风能和太阳能)存储领域,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。


5、超级电容器关键材料与器件

  超级电容器是具有高比功率、长循环寿命的一种新型绿色能源存储器件,在电力、消费型电子产品、通信、新能源汽车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,得到世界各国的广泛关注。与二次电池相比,超级电容器的比能量较低。电极材料是影响超级电容器电化学性能的重要因素之一,因此开发兼具高比能量、高比功率和超长循环寿命的电极材料是超级电容器的研究重点之一。

  本研究室致力于研究纳米碳材料的结构、成分控制、表面改性等。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;系统研究了碳纤维、多孔碳及石墨烯复合材料的制备、化学组成、孔结构等微观特性及其化学储能的构效关系;采用电化学方法、自组装方法、反向微乳液法等可控合成具有高比容的电化学剥离石墨烯复合材料、三维石墨烯复合材料、碳纤维复合材料等。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., Energy Storage Mater., J Mater. Chem. A, Carbon, Electrochem. Commun.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。

超级电容器电极材料的研究与应用

6、高储能电介质材料

  电介质电容器具有超高的功率密度和耐压,是脉冲功率设备不可或缺的核心组件。课题组结合无机材料高介电常数和聚合物高介电强度的优势,制备聚合物基复合材料,以期同时达到高介电常数和高介电强度,实现能量密度的有效提升。基于聚合物基复合薄膜设计高功率、高能量密度的电介质电容器,开发其在智能电网、电动汽车等领域发挥的作用。相关工作发表在Adv. Funct. Mater., J. Mater. Chem. A等刊物上。

7、柔性电活性材料

  柔性电活性材料主要包括聚合物基体的柔性压电材料与介电弹性体材料,它们能够用来制作柔软、轻巧、具有高能量转换效率的传感器、促动器或发电机。课题组通过制备无机/聚合物复合的压电材料,增强压电聚合物的压电响应并改善老化等问题。进一步将压电薄膜制成简单的小型化器件测试其在压电传感器、驱动器、能量发电机收集器等诸多方面的性能,并开发其在可穿戴电子设备方面的应用潜能。相关工作发表在Comp. Sci. Tech., J. Mater. Chem. C, Mater. Lett.等刊物上。

8、聚合物基生物材料

  生物材料是用于与生命系统接触和发生相互作用的,并能对其细胞、组织和器官进行诊断治疗、替换修复或诱导再生的一类天然或人工合成的特殊功能材料,又称生物医用材料。课题组以聚合物基复合材料在生物体内诱导再生、促进组织损伤愈合等方面的应用为重点研究方向,结合无机纳米材料的制备和改性、复合材料拓扑结构设计等,意图开发出具有良好促再生功能及生物相容性的薄膜材料。相关工作发表在ACS Nano, J. Mater. Chem. A等刊物上。

9、功能陶瓷材料

  同时具有铁电、铁磁的陶瓷材料通过铁性的耦合复合协同能够在更多的领域发挥作用。课题组选取具有反常热膨胀行为的钛酸铅基化合物作为研究对象,开发同时具备铁电和铁磁性能的多铁性陶瓷材料。已制得多种高机械性能的多铁性陶瓷材料,铁电、压电性能优异,部分材料具有零膨胀特性。通过结构精修、最大熵计算等方法研究其结构对性能的影响机理。相关工作发表在J. Am. Chem. Soc., J. Mater. Chem. A, J. Am. Ceram. Soc.等刊物上


【研究室承担科研項目】

  1. 国家自然科学基金(重点项目):全固态锂电池固体电解质的关键问题,347.6万,2016-2020;国家重点研发计划:高比能固态锂电池技术,72.8万,2018-2020

  2. 北京市自然科学基金-海淀原始创新联合基金(重点项目):高性能柔性电解质的合成及其在固态锂电池中的应用研究,99万,2017-2020

  3. 国家重点研发计划政府间国际科技创新合作重点专项:铁电体相转变温度以上的储镁行为研究,167 万,2018-2020

  4. 装备预研:高安全有机固态电解质材料技术,50万,2017-2020

  5. 装备预研:宽电压窗口无机固体电解质材料技术,200万,2017-2020

  6. 国家自然科学基金(面上项目):纳微多孔碳/金属氧化物复合材料的制备、修饰及超结构级电容特性,80万,2014-2017

  7. 国家自然科学基金(面上项目):基于生物质衍生物/石墨烯多级复合结构的柔性超级电容器,74.6万,2016-2019

  8. 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

  9. 国家自然科学基金(青年项目):钛酸锶钡/聚合物功能层及其组合结构对复合电介质储能影响的研究,25万,2015-2017

  10. 国家重点基础研究发展计划项目(973项目):新型三维纳米集流体材料及三维复合电极的可控制备与应用机理,83.2万,2013-2017

  11. 国家重点基础研究发展计划项目(973项目):柔性能源存储纳米材料中的关键科学问题,100万,2015-2019

  12. 国家重点基础研究发展计划项目(973项目):无机/聚合物复合电介质界面调控及高储能机制,78.2万,2015-2019

  13. 国家科技基础条件平台建设项目:能源材料数据共享资源结点规划与框架建设,50万,2009-2012

  14. 北京市科技计划项目:固态复合金属锂保护关键技术研究,85万,2017-2018

  15. 中央高校基本科研业务费:基于自支撑微纳电极材料的高性能钠离子全电池构筑,10万,2017-2018

  16. 博士后创新人才支持计划:高能量密度钠离子全电池的构建及其自支撑电极材料的设计,60万,2016-2018

  17. 教育部霍英东优秀青年教师应用项目:高性能导电聚合物超级电容器电极材料及器件应用,2万美元,2010-2012

  18. 教育部基本科研业务费:高性能超级电容器电极材料及器件设计,50万,2009-2014

  19. 北京市委组织部:高比容量超级电容器电极材料的制备与应用,5万,2011-2012

  20. 中央高校基本科研业务费:一维纳米结构陶瓷填料提高复合电介质薄膜储能密度基础研究,10万,2015-2016

  21. 邢台市高新技术产业开发区:新能源新材料产品开发,150万,2010-2012

  22. 清陶(昆山)能源发展有限公司:锂离子电池电极材料的制备技术(专利实施许可),40万,2016-2017


【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。

先进能源材料研究室师生秋游

 研究室先进材料合成设备

研究室先进材料合成设备


研究室先进电池组装仪器


研究室聚合物基复合材料合成设备


研究室先进结构表征与电化学测试设备


更 多  
  • 姓       名: 范丽珍 所在系所:
    粉末冶金研究所
    职务 / 职称:
      教授
    办公地点:
    金物楼233
    联系方式:
    010-62333548
  • 姓       名: 胡澎浩 所在系所:
    粉末冶金研究所
    职务 / 职称:
      副研究员
    办公地点:
    金物楼223
    联系方式:
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