北理工先進結構技術研究院方岱寧院士團隊在能源類頂級期刊Adv. Energy Mater.上發表文章
發布日期：2018-08-30 供稿：先進結構技術研究院
編輯：吳楠 審核：楊亞政 閱讀次數：
鋰資源在地殼中含量匱乏，我國鈷資源長期依賴于進口，僅鋰離子電池三元正極材料的成本占到了國內動力鋰離子電池生產企業四大關鍵材料（正極，負極，電解質，粘結劑）成本的50%以上，并呈現每年遞增的趨勢；另一方面，我國石墨產量全球前三，同時炭質資源非常豐富，如果能夠基于富礦炭質資源發展低成本高性能儲能電池，不僅能夠實現低成本炭質資源的增值與高效利用，更重要的是能夠為緩解鋰資源與鈷資源帶來的資源緊缺問題尋求更優的替代方案。雙離子電池是一種正負極活性材料均可以采用石墨的非常規電池，不僅具有高電壓窗口（3~5 V），并且可以通過調控陰陽離子尺寸控制嵌入正負極石墨電極的狀態，獲得性能可調控，電壓窗口可調控的低成本儲能電池。
近期，在方岱寧院士的指導下，團隊陳浩森、宋維力副教授等與北京科技大學焦樹強教授團隊密切合作，基于自主發展的原位電池力學/電化學耦合可視化表征技術，在雙離子電池力學/電化學耦合方面取得重要進展，相關成果在國際頂級期刊Advanced Energy Materials（2017年影響因子21.875）上發表。該工作基于石墨與生物質等富礦炭資源，通過生物質衍生物發展超輕三維網絡炭集流體，并在此集流體上負載石墨活性物質，獲得了全炭電極；通過正負極電荷匹配，集成了正負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鍵問題：（I）傳統金屬集流體負載活性物質占比偏低的問題，（II）傳統金屬集流體電化學腐蝕的問題，（III）石墨正極體積變形嚴重的問題。該全炭雙離子電池的實現為發展低成本、高性能、電化學穩定，機械穩定的雙離子電池提供了嶄新的思路，為炭質資源的增值與高效利用拓展了新方向，為緩解傳統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可視化平臺驗證：（a）原位裝置示意圖，（b,c）全碳雙離子電池正極與傳統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）兩種正極對應的體積變化率比較。
圖2 六種不同雙離子電池電化學性能：（a）CV，（b）EIS，（c）放電比容量，（d）倍率，（e）5C下長循環（1C="100" mA g-1）。ACE代表正負極均采用三維炭網絡集流體涂覆石墨構造全碳電極與全碳雙離子電池。
北京理工大學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”計劃青年科學家專題項目（2015CB932500），自然科學基金（11672341，111572002），國家自然科學基金創新研究群體科學基金（11521202），國家材料基因組計劃（2016YFB0700600），北京市基金（16L00001，2182065）的資助，在此特別感謝。
文獻鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/aenm.201801439
附團隊介紹：
方岱寧，教授，博士生導師，中國科學院院士，北京理工大學副校長，先進結構技術研究院名譽院長兼首席科學家。主要從事力電磁熱多場耦合作用下先進材料與結構的力學理論、計算與實驗方法研究。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計中獲得應用；發展了輕質多功能復合材料力電磁熱多場多尺度計算力學方法與設計制備方法，并將所制備的輕質多功能材料與結構應用于國防裝備建設；發展了先進材料力電磁熱多場多軸加載和測試技術與實驗方法，將基礎研究成果轉化為十余種具有自主知識產權的科學儀器，并獲得推廣應用。
方岱寧院士團隊能源電池小組成立于2015年，由先進結構技術研究院陳浩森副教授與宋維力副教授共同負責，主要從事力化電熱多場耦合環境下的能源電池電極材料與結構的設計、制備、表征與儀器研制，成立3年以來，已經在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表高水平論文近20篇。團隊常年招聘力學、電化學、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年方岱寧院士團隊能源電池小組在力學/化學耦合下電池設計、制備、表征與原位實驗裝置發表的系列文章。
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-化學耦合系列：
(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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