清华大学化工系张强

hengqiang

张强，清华大学长聘教授，从事能源材料研究，尤其是金属锂、锂硫电池和电催化的研究。曾获得国家自然科学基金杰出青年基金、中组部万人计划青年拔尖人才、英国皇家学会Newton Advanced Fellowship、2017-2018年科睿唯安全球高被引科学家。担任国际期刊J Energy Chem编辑、Adv Mater Interfaces、Sci China Mater、Sci China Chem、Philos Trans A编委，Energy Storage Mater、Adv Funct Mater客座编辑。主持国家重点研发计划课题、自然科学基金、教育部博士点基金、北京市科委重点项目等。担任Nature Energy、Nature Nanotech、Nature Catal、Sci. Adv.、JACS、Adv. Mater.、Angew. Chem.等期刊特约审稿人或仲裁人。以第一作者/通讯作者在Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Nature Commun., Sci. Adv., Chem等发表SCI收录论文100余篇；所发论文引用23000余次，h因子为81，61篇为ESI高引用学术论文。

张强  博士, 教授
清华大学 化学工程系
北京市绿色反应工程与工艺实验室
电话：+86-10－62789041
传真：+86-10－62772051
Email： zhangqiangflotu@tsinghua.edu.cn；
zhang-qiang@mails.tsinghua.edu.cn；
zhangqiangflotu@gmail.com；
Postdoc Fritz HaberInstitute of the Max Plank Society, Germany 2011
Research Associate Case Western Reserve University, USA 2010
博士 清华大学化学工程与技术，中国 2009
学士 清华大学化学工程与工艺，中国 2004

主要奖励：
2011 全国优秀博士论文
2011 Best Poster on Auunual World Conference on Carbon
2010 北京市优秀博士论文
2009 清华大学优秀博士论文一等
2008 中国材料学会优秀墙报
2008 清华大学特等奖学金，学术新秀
2008 Japan Carbon Award for Students

研究内容
以可持续发展，绿色化学为理念，发展物质转化中原子重组、分子组装、宏观流动以及过程放大、能?戳煊蛴τ玫男录际酢⒅铝τ诶�用多相反应与颗粒技术解决人类发展过程中新问题，特别是中国社会经济发展过程中的能源、材料与环境问题。研究领域集中在能源化工、多级纳米结构以及无机纳米材料批量制备与应用技术。所研究的方向包括�?span lang=EN-US>

1) 探索纳米尺度上催化新原理，利用纳米材料发展高效化工过程
纳米材料的特性体现了诸多特性。当材料特征尺寸到纳米或亚埃水平，其能带结构分裂，量子效应体现，从而为发展多相催化提供了理论技术。利用特异纳米材料的表面特殊电子结构、晶面效应、分子台阶等新特性，进而在新能源领域中呈现出优异的活性。利用纳米炭为平台，通过掺杂或接枝活性官能团、纳米颗粒，进而调变电子结构，发展新型脱绿色催化过程，满足新能源过程对于基础催化材料的需求。通过调变纳米材料的杂化，设计出多级结构的催化材料，并进一步利用纳米效应以及催化原理，通过催化材料的微纳结构调变，设计出高效多级催化材料。

2) 发展新型微纳复合结构的先进功能材料合成方法论
为发展新型能源以及催化材料，进一步深入一维碳纳米管为平台的基础设计，拓展多级复杂有序纳米材料合成方法论，并为发展电化学储能、热电储能、机械储能、以及多相催化提供化工材料平台。

3) 发展纳米反应器技术，开发高效先进材料与能源转化新过程。
利用多级纳米材料为平台，发展基于物理限域高温热稳定好的新型催化剂。利用定向碳纳米管为平台，发展纳米反应器；利用复杂纳米结构限域，发展纳米反应器内材料合成以及能源转化新过程；利用多级流化床作为反应器，实现例如多晶硅、纳米炭的宏量制备。

4) 开发用于储能的炭基复合材料，并探索其宏量制备技术。
炭基材料是当下制备高性能超级电容器、锂电池、燃料电池的关键。结合已有的碳纳米管批量制备技术，发展新型炭基纳米复合材料，拓展其在新能源，尤其是先进电池领域的应用。结合化工过程放大经验，发展先进能源材料宏量制备技术。

学术期刊同行评议：
Invited reviewer for Carbon, Journal of Physical Chemistry, AIChE Journal, Energy and Environmental Science, Journal of Materials Chemistry, Green Chemistry, CrystEngComm, Soft Matter, Dalton Transcations, Polymer Chemistry, RSC Advances, New Journal of Chemistry, Journal of the Electrochemical Society, Nanotechnology, Catalysis Today, Fuel, Chemical Engineering Journal, Journal of Chemical Technology and Biotechnology, Chemical Engineering & Technology, Chemical Engineering Communications, Catalysis Letters, Journal of Molecular Catalysis A: Chemical, Nano, Materials Science & Engineering B, Journal of Membrane Science, Journal of Applied Polymer Science, Polymer Engineering & Science, Applied Surface Science, Materials Chemsitry and Physics, Journal of Materials Science, Journal of Physics D: Applied Physics, Solar Energy, New Carbon Materials, Journal of Natural Gas Chemistry, Journal of Phyisics and Chemistry of Solids; Colloids and Surfaces A, Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures.

代表性论文
l      Zhang Q, Huang JQ, Zhao MQ, Qian WZ, Wei F. Carbon nanotube mass production: Principles and processes. ChemSusChem 2011, 4(7): 864-889. (Invited Review) [Publisher PDF]
l      Zhao MQ, Zhang Q, Huang JQ, Wei F. Hierarchical nanocomposites derived from nanocarbons and layered double hydroxides - Properties, synthesis, and applications Advanced Funcational Materials 2011, 10.1002/adfm.201102222. (Invited Review)
l      Rinaldi A, Tessonnier JP, Schuster ME, Blume R, Girgsdies F, Zhang Q, Jacob T, Abd-Hamid SB, Su DS, Schlögl R. Dissolved carbon controls the initial stage of nanocarbon growth. Angewandte Chemie International Edition 2011, 50(14): 3313-3317. [Publisher PDF]
l      Lv RT, Cui TX, Jun MS, Zhang Q, Cao AY, Su DS, Zhang ZJ, Yoon SH, Miyawaki J, Mochida I, Kang FY. N-doped carbon nanotube-graphene hybrid nanosctructure using as support material for fuel cell catalyst.Advanced Functional Materials. 2011, 21(5): 999-1006. [Publisher PDF]
l      Zhang RF, Wen Q, Qian WZ, Su DS, Zhang Q, Wei F. Super-strong ultralong carbon nanotubes for mechanical energy storage Advanced Materials 2011, 23(30): 3387-3391. [Publisher PDF]
l      Jia XL, Yan CZ, Chen Z, Wang RR, Zhang Q, Guo L, Wei F, Lu YF. Direct growth of flexible LiMn2O4/CNTs lithium-ion cathodes. Chemical Communications, 2011, 47(34):9669-9671. [Publisher PDF]
l      Zhu, W.C.; Wang, X.L.; Zhang, X.; Zhang, H.; Zhang, Q. Hierarchical laminar superstructures of rhombic priceite (Ca4B10O19·7H2O): Facile hydrothermal synthesis, shape evolution, optical and thermal decomposition properties. Crystal Growth & Design 2011, 11(7):2935-2941. [Publisher PDF]
l      Zhang Q, Zhao MQ, Tang DM, Li F, Huang JQ, Liu BL, Zhu WC, Zhang YH, Wei F. Carbon nanotube double helix. Angewandte Chemie International Edition. 2010, 49(21):3642-3645; Angewandte Chemie 2010, 122(21):3724-3727. [Publisher PDF]
Highten by
Angewandte Chemie International Edition Hotpaper: http://www.wiley-vch.de/publish/dt/ journals/bySubject/2001/news/13528/?sID=5lqrkh6d4res5hk5h0f439s713
Nature China: http://www.nature.com/nchina/2010/100428/full/nchina.2010.60.html
Nature Asia Materials: http://www.natureasia.com/asia-materials/highlight.php?id=717
Inorganic materials with double-helix structures. Angewandte Chemie International Edition 2011, 50(21):4747–4750.
l      Zhang Q, Zhao MQ, Huang JQ, Nie JQ, Wei F. Mass production of aligned carbon nanotube arrays grown on clay by fluidized bed catalytic chemical vapor deposition. Carbon 2010, 48(4):1196-1209. [Publisher PDF]
l      Yu DS#, Zhang Q#, Dai LM. Highly-efficient metal-free growth of nitrogen-doped single-walled carbon nanotubes on plasma-etched substrates for oxygen reduction. Journal of the American Chemical Society 2010, 132(43):15127-15129. (# equal contribution) [Publisher PDF]
l      Zhao MQ, Zhang Q, Zhang W, Huang JQ, Zhang YH, SU DS, Wei F. Embedded high density metal nanoparticles with extraordinary thermal stability derived from guest-host mediated layered double hydroxides. Journal of the American Chemical Society 2010, 132(42): 14739–14741. [Publisher PDF]
l      Zhao MQ, Zhang Q, Jia XL, Huang JQ, Zhang YH, Wei F. Hierarchical composites of single/double walled carbon nanotubes intercrossed flakes from directly carbon deposition on layered double hydroxides. Advanced Functional Materials 2010, 20(4):677-685. (Featured on cover) [Publisher PDF]
l      Fan ZJ, Yan J, Zhi LJ, Zhang Q, Wei T, Feng J, Zhang ML, Qian WZ, Wei F. Three-dimensional carbon nanotube/graphene sandwich and its application as electrode in supercapacitors. Advanced Materials 2010, 22(33):3723–3728. [Publisher PDF]
l      Zhao MQ, Zhang Q, Huang JQ, Nie JQ, Wei F. Advanced materials from natural resources : Facile synthesis aligned carbon nanotubes on wollastonites ChemSusChem 2010, 2010,3(4):453-459. [Publisher PDF]
l      Xu GH, Zhang Q, Huang JQ, Zhao MQ, Zhou WP, Wei F. A two-step shearing strategy to disperse long carbon nanotubes from vertically aligned carbon nanotube arrays for transparent conductive films Langmuir 2010, 26(4):2798-2804. [Publisher PDF]
l      Zhao MQ, Zhang Q, Huang JQ, Wei F. Layered double hydroxides as catalysts for the efficient growth of high quality single walled carbon nanotubes in a fluidized bed reactor. Carbon 2010, 48(11):3260-3270. [Publisher PDF]
l      Huang JQ, Zhang Q, Zhao MQ, Xu GH, Wei F. Patterning of hydrophobic three-dimensional carbon nanotube architectures by a pattern transfer approach. Nanoscale 2010, 2(8):1401-1404. (Featured on cover)[Publisher PDF]
l      Wen Q, Qian WZ, Nie JQ, Cao AY, Ning GQ, Wang Y, Hu L, Zhang Q, Huang JQ, Wei F. 100 mm long, semiconducting, triple-walled carbon nanotubes. Advanced Materials 2010, 22(16):1867-1871. (Featured on cover) [Publisher PDF]
   Highten by
Nature Asia Materials: http://www.natureasia.com/asia-materials/highlight.php?id=664
l      Zhu WC, Zhang GL, Li J, Zhang Q, Piao XL, Zhu SL. Mesoporous SrCO3 hierachical submicron spheres derived from reaction-limited aggregation induced “rod-to-dumbbell-to-sphere” self-orgniazation. CrystEngComm 2010,12(6):1795-1802. [Publisher PDF]
l      Zhang Q, Zhao MQ, Liu Y, Cao AY, Qian WZ, Lu YF, Wei F, Energy-Absorbing Hybrid Composites Based on Alternate Carbon Nanotube and Inorganic Layers. Advanced Materials 2009, 21(28):2876-2880. (Selected as Advances in Advance) [Publisher PDF]
Highten by Chinese Science Bulletin 2009, 54(2): 1794.
Nature China http://www.nature.com/nchina/200 ... china.2009.163.html
Materials Reviews: http://www.materialsviews.com/matview/display/en/829/TEXT
http://materialsviewschina.cn/2009/11/elasticity-of-carbon-nanotubes-clay-composite-material/
l      Zhang Q, Zhao MQ, Liu Y, Wang Y, Qian WZ, Wei F. Vertically aligned carbon nanotube arrays grown on a lamellar catalyst by fluidized bed catalytic chemical vapor deposition. Carbon 2009, 47(11):2600-10. [Publisher PDF]
l      Zhang Q, Xu GH, Huang JQ, Zhou WP, Zhao MQ, Wang Y, Qian WZ, Wei F. Fluffy carbon nanotubes produced by shearing vertically aligned carbon nanotube arrays. Carbon 2009, 47(2): 538-541. [Publisher PDF]
l      Zhang Q, Zuo YZ, Han MH, Wang JF, Jin Y, Wei F. Long carbon nanotubes intercrossed Cu/Zn/Al/Zr catalyst for CO/CO2 hydrogenation to methanol/ dimethyl ether. Catalysis Today  2010, 150(1-2):55-60.[Publisher PDF]
l      Zhang Q, Huang C, Jiang D, Wei XB, Qian Z, Wei F. Particle measurement sensor for in situ determination of phase structure of fluidized bed. Particuology 2009, 7(3): 175-182. [Publisher PDF]
l      Huang JQ, Zhang Q, Zhao MQ, Wei F. Process Intensification by CO2 for High quality carbon nanotube forest growth: Double walled carbon nanotube convexity or single walled carbon nanotube bowl? Nano Research2009, 2(11):872-881.
l      Shu Q, Zhang Q, Xu GH, Wang JF. Preparation of biodiesel using s-MWCNT catalysts and the coupling of reaction and separation. Food and Byproducts Processing. 2009, 87(3): 164-170.
l      Zuo YZ, Zhang Q, Han MH, Wang JF, Wang TF, Wang DZ, Jin Y. The sintering of a Cu-based methanol synthesis catalyst Chinese Journal of Catalysis 2009, 30(7):624-630.
l      Liu Y, Qian WZ, Zhang Q, Ning GQ, Wen Q, Luo GH, Wei F. The confined growth of double-walled carbon nanotubes in porous catalysts by chemical vapor deposition Carbon 2008, 46(14): 1860-1868.
l      Liu Y, Qian WZ, Zhang Q, Cao AY, Li ZF, Zhou WP, Ma Y, Wei F. Hierarchical agglomerates of carbon nanotubes as high-pressure cushions. Nano Letters 2008, 8(5): 1323-1327.
l      Huang JQ, Zhang Q, Xu GH, Qian WZ, Wei F. Substrate morphology induced self-organization into carbon nanotube arrays, ropes, and agglomerates. Nanotechnology 2008, 19(43): 435602
l      Zhu WC, Zhang Q, Xiang L, Wei F, Sun X, Piao X, Zhu SL. Flux-assisted thermal conversion route to pore-free high crystallinity magnesium borate nanowhiskers at a relatively low temperature. Crystal Growth and Design. 2008, 8(8): 2938-2945.
l      Zhang Q, Huang JQ, Zhao MQ, Wang Y, Qian WZ, Wei F. Radial growth of vertically aligned carbon nanotube arrays from ethylene on ceramic spheres. Carbon 2008, 46(8): 1152-1158. (Featured on cover) [Publisher PDF]
l      Wei F, Zhang Q, Qian WZ, Yu H, Wang Y, Luo GH, Xu GH, Wang DZ. The mass production of carbon nanotubes using a nano-agglomerate fluidized bed reactor: a multiscale space-time analysis Powder Technology 2008, 183(1): 10-20. (Invited Review) [Publisher PDF]
l      Huang JQ, Zhang Q, Wei F, Qian WZ, Wang DZ, Hu L. Liquefied petroleum gas containing sulfur as the carbon source for carbon nanotube forests. Carbon 2008, 45(2): 291-296.
l      Zhang Q, Zhou WP, Qian WZ, Xiang R, Huang JQ, Wang DZ, Wei F. Synchronous growth of vertically aligned carbon nanotubes with pristine stress in the heterogeneous catalysis process. Journal of Physical Chemistry C 2007, 111(40): 14638-14643. [Publisher PDF]
l      Zhang Q, Huang JQ, Wei F, Xu GH, Wang Y, Qian WZ, Wang DZ. Large scale production of carbon nanotube arrays on the sphere surface from liquefied petroleum gas at low cost. Chinese Science Bulletin 2007, 52(21): 2896-2902. (Featured on cover) [Publisher PDF]

l      Zhang Q, Qian WZ Wen Q, Liu Y, Wang DZ, Wei F. The effect of phase separation in Fe/Mg/Al/O catalysts on the synthesis of DWCNTs from methane. Carbon 2007, 45(8): 1645-1650. [Publisher PDF]
l      Zhang Q, Qian WZ, Yu H, Wei F, Wen Q. Highly selective synthesis of carbon nanotubes with totally hollow channel and/or with totally filled copper nanowires. Applied Physics A 2007, 86(2): 265-269.
l      Xiang R, Luo GH, Qian WZ, Zhang Q, Wang Y, Wei F, Li Q, Cao AY. Encapsulation, compensation, and substitution of catalyst particles during continuous growth of carbon nanotubes Advanced Materials 2007, 19(17): 2360-2363.
l      Yu H, Zhang Q, Zhang QF, Wang QX, Ning GQ, Luo GH, Wei F. Effect of the reaction atmosphere on the diameter of single-walled carbon nanotubes produced by chemical vapor deposition. Carbon 2006, 44(9): 1706-1712.


专利申请                                                        
中国专利
1. 魏飞，张强，周卫平，徐光辉，杨州，骞伟中，罗国华 气凝胶碳纳米管及其制备方法和应用. CN 1884058 A (已授权)
2. 魏飞，张强，周卫平，骞伟中 一种超长定向的碳纳米管丝/薄膜及其制备方法. CN 1948144 A (已授权)
3. 魏飞，张强，钱震，蒋东，黄苍，魏小波 一种颗粒状测量装置及其原位测量方法. CN 1877337 A
4. 魏飞，张强，赵梦强，骞伟中，王垚，罗国华 一种碳纳米管阵列/层状材料复合物及其制备方法. CN 10107934A (已授权)
5. 魏飞，张强，黄佳琦，骞伟中，王垚，罗国华 一种基于化学气相沉积制备碳纳米管阵列的方法 CN 101077773A
6. 魏飞，张强，黄佳琦，朱万诚 一种基于氧化处理从基板表面分离碳纳米管阵列的方法 CN 101348248A
7. 魏飞，张强，赵梦强 一种在颗粒内表面制备碳纳米管阵列的方法 CN 101348249A
8. 魏飞，张强，赵梦强 一种在片状材料表面制备小直径碳纳米管阵列的方法 200910092930.3
9. 魏飞，张强，赵梦强 基于层状双羟基金属氢氧化物制备单双壁碳纳米管的方法 200910092929.0
PCT专利
1. Wei F, Zhang Q, Zhou WP, Xu GH, Yang Z, Qian WZ, Luo GH, Wang Y. Aerogel carbon nanotube and its preparation method and application. WO2008000163-A1
2. Wei F, Zhang Q, Zhou WP, Qian WZ. Ultralong orientational carbon nano-tube filament/film and its preparation method. WO2008055421-A1

zhongyu

提高涉气能源电催化性能的多尺度原则

以氧气还原（ORR）、氧气析出（OER）、氢气析出（HER）为代表的能源电催化是电解水制氢、燃料电池、金属空气电池等下一代清洁高效能源系统的核心技术，也是关键瓶颈。这些反应涉及多步质子耦合的电子转移过程，过电势很大，因而能量效率受限。目前，大量的研究工作集中在催化剂的开发研究，已有诸多材料有望取代贵金属催化剂。但由于存在气体参与，实际反应只能在气/固/液三相界面处有效发生。因此，研究不仅需要从材料科学角度对催化剂进行设计，也要关注界面化学和反应行为，从不同层次综合优化，方可实现性能的最大幅度提高和在能源器件中的高效应用。

近日，清华大学化工系的张强教授研究团队受邀在国际顶尖综述期刊Accounts of Chemical Research上发表了题为“Multiscale Principles to Boost Reactivity in Gas-Involving Energy Electrocatalysis”的综述文章。该综述系统总结了提高涉气能源电催化性能的思路，从电子结构调控、多级形貌构筑和电极界面优化三个维度阐述了催化剂的材料设计原则和合成策略，特别是针对无金属纳米碳材料、过渡金属化合物等。

涉气能源电催化对于基础研究和实际应用都具有非常重要的意义。该综述从普适的多相催化特点和催化剂的构效关系出发，基于团队前期的工作，提出这一多尺度的原则，对于未来的电催化研究具有很好的指导意义。同时，该论文也指出未来研究中的挑战和机遇，不仅对ORR/OER/HER非常重要，也将有助于CO2还原、N2还原、H2O2合成等领域的研究。

该工作的作者依次为清华大学的唐城、王浩帆和张强。近年来，清华大学的张强教授研究团队主要从事能源材料，尤其是金属锂、锂硫电池和电催化的研究。该研究团队在碳基和非贵金属电催化剂的电子结构调控、多级结构纳米碳和复合催化剂的设计合成、宏观电极构筑和器件演示等方面开展了大量的研究，并取得了一系列具有国际影响力的进展。相关成果相继发表在Small, 2014, 10, 2251-2259; Adv. Funct. Mater., 2014, 24, 5956; Adv. Mater., 2015, 27, 4516; Adv. Mater., 2016, 28, 6845; Sci. Adv., 2016, 2, e1600495; Adv. Mater., 2017, 29, 1604103; Adv. Mater., 2017, 29, 1703185; Adv. Mater., 2017, 29, 1702327; Adv. Mater., 2017, 29, 1705110; Nat. Commun., 2017, 8, 934; J. Energy Chem.,2017, 26, 1077等。

该论文作者为：Cheng Tang, Hao-Fan Wang, Qiang Zhang

Multiscale Principles to Boost Reactivity in Gas-Involving Energy Electrocatalysis

Acc. Chem. Res., 2018, DOI: 10.1021/acs.accounts.7b00616

babala

清华研发出珊瑚状碳纤维熔融灌锂的复合锂金属负极

4月18日，清华大学化工系张强教授课题组在能源领域知名期刊《焦耳》（Joule）上发表了论文《用于金属锂电池的珊瑚状碳纤维基复合锂金属负极》（Coralloid Carbon Fiber-Based Composite Lithium Anode for Robust Lithium Metal Batteries），报道了课题组在高安全高容量的复合锂金属负极领域的研究取得的重要进展。该研究被《焦耳》选为本期封面文章，并刊登了封面图片。

金属锂具有极高的理论比容量和最低的氧化还原电极电势，因而成为了下一代高能量密度储能电池（下一代固态锂电池、锂硫电池、锂空电池等）最理想的负极材料。然而，金属锂充放电过程中的枝晶问题和锂与电解质界面膜的不稳定性严重降低了锂金属电池的循环效率，缩短了电池的使用寿命，甚至带来了一定程度的安全隐患，严重阻碍了锂金属电池的发展。

封面图片采用隐喻的方式表述“复合锂金属负极”设计思想，基于亲锂碳纤维的复合锂金属负极比喻成船，能够在熔融锂的“海洋”中稳定航行

最近，研究者们提出了诸多基于导电碳骨架或金属骨架的金属锂负极。然而，很多此类骨架并未预先复合金属锂，而是作为无锂集流体进行半电池测试。这样的无锂集流体难以直接应用到全电池中。因此，如何高效地将金属锂预先复合到集流体结构中、形成可直接装配为全电池的高性能复合锂金属负极成为了研究的重点。

清华大学张强教授研究团队针对金属锂电池对于复合电极的迫切需求，提出一种珊瑚状碳纤维熔融灌锂的复合锂金属负极。采用电镀银涂层的方法将碳纤维骨架（CF）的表面改性为亲锂表面，进而可使液态熔融金属锂能够迅速吸入具有银涂层的碳纤维骨架（CF/Ag），从而制得高性能的复合锂金属负极（CF/Ag-Li）。

银镀层一方面可使任何导电骨架改性为可虹吸液态熔融锂的亲锂导电骨架，另一方面还可以降低金属锂的沉积过电势，获得高倍率下优异的循环稳定性和无枝晶无“死锂”的循环形貌。通过原位金属锂沉积实验观察，发现在该复合结构中难以形成枝晶。所提出的复合锂金属负极可以在10 mA cm-2和10 mAh cm-2的极端苛刻条件下以很低的极化稳定循环超过160圈。相比常规金属锂负极，该复合锂金属负极能够承受极端的面电流密度和面容量循环，表现出高安全性特征。

珊瑚状碳纤维熔融灌锂的复合锂金属负极

该复合金属锂负极与硫正极和磷酸铁锂正极等直接装配为性能优异的锂硫电池和磷酸铁锂电池。其磷酸铁锂电池可在1.0 C倍率下稳定循环超过500圈，而锂硫电池在0.5 C下的初始放电容量可达781 mAh g-1，并保持高容量循环超过400圈。该工作的导电骨架镀银灌锂方法可普适于任何基于导电骨架的复合金属锂负极设计与制备，其镀银层可实现高效的预置金属锂复合，并实现无枝晶、无“死锂”的循环容貌，进而获得在锂硫电池等全电池体系中优异的电化学性能，提升了储能系统系统的安全性。

该项研究工作的通讯作者是清华大学化工系长聘教授张强和助理研究员程新兵。作者顺序依次是博士生张睿、博士生陈翔、博士生沈馨、硕士生张学强、本科生陈筱薷、助理研究员程新兵、硕士生闫崇、博士生赵辰孜和张强教授。

作为《细胞》（Cell）的姊妹刊，《焦耳》是一本致力于应对全球挑战、发展可持续能源为目标，报道能源领域最新进展的知名学术期刊。

该项工作在北京市科委、科技部、自然科学基金委、等部门的资助下完成。清华信息科学技术国家实验室提供了该研究所需的计算平台。参与该项目的本科生陈筱薷获得了清华大学大学生学术研究推进计划中的“未来学者”，在本工作的电池表征工作中做出了重要贡献。

张强教授课题组致力于能源材料，尤其是金属锂、锂硫电池、电催化方面的研究。在金属锂电池领域内，通过先进手段研究固态电解质膜，通过引入纳米骨架、修饰表面固态电解质保护层等方法调控金属锂的沉积行为，实现金属锂电池的高效安全利用。这些相关研究工作先后发表在《先进材料》《美国化学会会志》《德国应用化学》《能源存储材料》《化学》《自然通讯》《美国科学院院报》等知名期刊上。近期，该研究团队在《化学评论》上进行了二次电池中安全金属锂负极评述。该研究团队在金属锂负极领域也申请了一系列中国发明专利和PCT专利，形成了具有较好保护作用的专利群。

chengzhi

锂硫电池由于具有高理论能量密度、价格低廉和环境友好等特点而被认为是一种理想的下一代储能器件。目前，理解锂硫电池中复杂的多电子反应，从而实现高效电池体系的理性设计，往往需要多种科学研究方法的综合应用。计算化学与计算材料学等方法的兴起则为锂硫电池的研究提供了新的机遇，并已经取得了一些初步的成果。

近日，清华大学化学工程系张强教授课题组受邀在国际顶尖期刊Materials Today上发表了题为“Combining Theory and Experiment in Lithium–Sulfur Batteries: Current Progress and Future Perspectives”的综述文章。该综述系统地总结了理论计算与实验表征在锂硫电池中的综合应用，从X-射线衍射、拉曼光谱、红外光谱、X-射线吸收光谱、结合能和核磁等方面深入分析了理论与实验如何进行结合及其困难，为未来锂硫电池及相关能源储存与转换领域结合理论与计算方法，深入揭示其中化学本质提供了重要的指导与研究思路。张强教授和美国加州大学伯克利分校材料工程系的Kristin A. Persson教授为本文的（共同通讯）作者，第一作者为清华大学化学工程系陈翔博士，第二作者为美国加州大学伯克利分校材料工程系侯廷政博士。

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清华大学张强Small Methods： 双溶剂法规模制备锂硫电池功能隔膜

以锂硫电池为代表的碱金属（锂/钠/钾）–硫属元素（硫/硒/碲）二次电池因其较高的能量密度而受到广泛关注。然而以锂硫电池为例，其独有的“飞梭效应”机制限制了其实际的能量密度和循环寿命。因此构筑实用化锂硫电池的关键在于如何有效地控制飞梭效应。针对此，设计多孔导电的中间隔层或者表面涂覆的功能隔膜对溶解的多硫化物进行拦截、捕获进而再利用被认为是一种行之有效的途径。然而隔层或者涂覆层的采用不可避免地增加了电池中非活性物质的质量和体积，不利于整体器件性能的提高。传统的隔膜研究往往关注基元材料的设计而忽视了对于普适的制备方法的探索，从而很大程度上难以充分发挥基元材料的优异特性。

近期，清华大学张强课题组、中国地质大学刘瑞平课题组和北京理工大学黄佳琦课题组合作，提出了一种新型的双溶剂功能隔膜制备规模制备方法。通过借鉴传统胶体溶液超晶格的组装，他们将溶剂失稳的概念引入隔膜前驱体溶液挥发的过程，将弱极性溶剂乙醇引入原有的一元水系溶液体系，构筑二元双溶剂体系，有效地提高了隔膜涂层的成膜质量。以石墨烯/碳纳米管杂化物和亲水聚丙烯酸高分子复合体系为例，采用双溶剂法得到的涂覆隔膜表面致密，涂层厚度仅为1.3 μm，相比仅采用水为溶剂的涂覆隔膜具有更高的多硫化物拦截效率，从而在0.5 C电流密度、70%容量保持率的条件下锂硫电池循环寿命分别是未涂覆隔膜和单溶剂法涂覆隔膜的8倍和5倍。因涂覆层“轻、薄”的特性，该双溶剂法涂覆隔膜用于硫负载量高达7.1 mg/cm2的锂硫电池时，涂覆层额外质体积对能量密度带来的影响小于1%，但正极的质量和体积比容量比采用未涂覆隔膜的电池高5倍。更重要的是，该方法简单易行，与传统电池工业涂覆技术相兼容，采用溶剂/材料绿色环保，有利于大规模制备及使用，为软包电池级别锂硫电池提供保障。

该工作不仅提出一种规模制备高性能锂硫电池功能涂覆隔膜的新方法，同时双溶剂调控的概念对于电化学储能领域的多组分、多功能涂层/电极的涂覆制备具有普适意义。例如该概念可以用于锂硫电池超厚、致密硫正极的制备，用以降低电池的电解液用量，提升器件能量密度。

相关论文“Solvent-Engineered Scalable Production of Polysulfide-Blocking Shields to Enhance Practical Lithium–Sulfur Batteries”已发表于Small Methods（DOI: 10.1002/smtd.201800100）上，第一作者为中国地质大学硕士生秦金磊和清华大学化工系博士生彭翃杰。文章链接为[url]https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smtd.201800100。[/url]

Qin JL, Peng HJ, Huang JQ, Zhang XQ, Kong L, Xie J, Zhao M, Liu RP, Zhao HY, Zhang Q. Solvent-Engineered Scalable Production of Polysulfide-Blocking Shields to Enhance Practical Lithium–Sulfur Batteries. Small Methods 2018, 2, 1800100. DOI: 10.1002/smtd.201800100.

pingju

　清华大学化学工程系教授张强 为国家需要做科研

“怎么让手机的待机时间更久、让电动汽车的续航里程更长？这里面学问大着呢，关键是要找到理想的材料。”说起自己的研究，清华大学化学工程系教授张强很兴奋。

　　虽然不到35岁，但张强已经是我国金属锂电池研究领域的佼佼者。“我们赶上了国家重视科技创新、支持前沿技术研究的好时代，要做出更多更好的成果服务国家需求。”张强说。

能在国家需要的领域做点事，很幸福

　　不久前，国际能源领域知名期刊《焦耳》以封面文章形式，报道了张强团队的一项研究成果。他带领课题组在高安全高容量的复合锂金属负极上取得的重要突破，令国际同行瞩目。

　　张强主要从事能源材料研究。2009年清华大学博士毕业后，他先后在美国凯斯西储大学、德国马普协会弗里茨—哈伯研究所做博士后。2011年9月，张强回清华大学任教。

　　张强的这一选择，有对中国学科发展的自信，更有科技报国的热情。“当前，国家对能源材料的需求很大，能在国家需要的领域做点事，我感到很幸福。”

　　“在清华大学9年学习生涯中，我成长在一个老中青传承的工程科学团队里，老一辈科学家身上体现的责任感与使命感在我心中刻下深深的烙印，也让我一直思考如何传承这种精神。”张强说。

　　大学二年级时，一个场景让张强记忆深刻：金涌院士向青年学子介绍中国的“富煤、贫油、少气”的能源资源特点，教导大家要努力学习专业知识，让我国有足够的化工原料满足人民日常的需要。

　　张强所在的化工系在石油炼制、煤转化、生物化工、高分子聚合等领域积淀深厚，他结合化工系的传统优势，将目光定位于新能源领域，选择了下一代储能材料及系统作为研究方向，探索我国未来5—10年需要的新型工业技术原理和方法。

　　而今，已为人师的张强把这种“为国家需要做科研”的理念传递下去。在清华大学的课堂上，张强在介绍国际领先技术时，很注重启发学生将研究兴趣聚焦在我国亟须发展的新能源汽车的动力电池技术等方面。

　　“国家现在对创新的支持力度很大，我希望看到更多优秀的学生毕业后，留在国内继续深造和工作，为我国科技事业做贡献。”张强说。

我很感激，觉得自己是个幸运儿

　　回国之初，张强一切从头开始；加上他选择的是新兴的研究领域，需要深入了解、研究的问题很多。比如，锂硫电池体系的反应机理复杂，高效的能源材料缺乏等瓶颈限制了锂硫电池的实用化，金属锂枝晶的生长更是给电池的安全埋下隐患。

　　张强是个乐天派。在他看来，困难不可避免，但都可以慢慢解决。面对全球相关课题组的激烈竞争，他带领团队迎难而上，通过不懈努力，终于在能源材料方向不断取得突破，赢得了同行的尊重。

　　回国以来，张强在《德国应用化学》《先进材料》等期刊发表了一系列优秀学术成果，发表ESI（基本科学指标数据库）高被引论文58篇，申请锂硫电池、金属锂方面专利30余项。他带领团队着力开发能源材料领域内的具有自主知识产权的前沿引领技术，让新能源领域内原创性研究更好地服务国家建设。

　　张强特别注重培养学生。课题组成立7年来，经他指导，3名学生获得了“清华大学本科生特等奖学金”，两名学生获得了“清华大学研究生特等奖学金”，3名学生成为“清华大学研究生学术新秀”。其中，课题组元喆、王岱玮同学的研究项目“高容量柔性锂硫电池正极材料的开发”获得了“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛一等奖，陈筱薷同学的研究项目“一种柔性快充锂金属电池”获得了“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛特等奖。

　　近年来，张强除了专注化工学科基础研究，还在化学、能源等交叉领域进行探索，突破了能源材料领域的系列难题。

　　“我从小对化学就很感兴趣，现在又得到国家和学校的支持，我很感激，觉得自己是个幸运儿。”张强说。

xiangli

张强AM：多硫化物固定化聚合物延缓锂硫电池多硫化物中间体的穿梭效应

锂硫电池被视为下一代可充高比能电池的有力竞争者。然而，锂硫电池的实际应用受到严重阻碍，这是因为电池体系中存在着可溶的多硫化物中间体的穿梭效应。穿梭效应的存在降低了活性物质的利用率，使锂硫电池存在着严重的自放电，因此其循环性能难以令人满意。张强教授及其团队报道了一种多硫化物固定化的聚合物用来解决穿梭问题。他们将富含含氧官能团（能与多硫化物产生强烈的键合作用）的阿拉伯树胶（GA）沉积在导电基体碳纳米纤维薄膜上（CNF）作为多硫化物屏蔽中间层。在1.1 mg/cm2的硫载量的极片中，所制备的CNF-GA复合中间层能够实现高达880 mAh/g的放电比容量并且循环250周后容量保持率为94%。更重要的是，在6和12 mg/cm2的高载量情况下，能够实现4.77和10.8 mAh/cm2的面积容量。该项研究结果为发展高载量的可逆锂硫电池提供了有前途的方法。

Tu S, ChenX, et al. A Polysulfide‐Immobilizing Polymer Retards the Shuttling of Polysulfide Intermediates in Lithium–Sulfur Batteries[J]. Advanced Materials,2018.

DOI: 10.1002/adma.201804581

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201804581?af=R

luohua

张强AM：无枝晶锂金属负极上的坚固混合导体界面

金属锂负极凭借最低的氧化还原电势和超高的理论比容量优势正在储能领域经历全面地复兴。然而，锂金属与非水电解液之间的不稳定界面诱导了锂枝晶的生长和库伦效率的降低，这在很大程度上阻碍了金属锂负极的实用化进程。张强教授通过CuF2溶液和Li金属的原位化学反应在金属锂负极表面构筑了一层混合离子/电子导体界面层（MCI）这层MCI层具备优先储锂能力、良好的离子电导率和高杨氏模量，像士兵的铠甲一样保护着金属锂负极表面。它能够有效抑制锂枝晶的生长并且可以在Li/NCM523全电池中稳定工作。这种铠甲状的MCI层为设计和构筑稳定的电极-电解液界面提供了全新的观点。

Yan C, Chen X, et al. An Armored Mixed Conductor Interphase On a Dendrite-Free Lithium-Metal Anode[J]. Advanced Materials, 2018.

DOI: 10.1002/adma.201804461

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.201804461

eluosi

研究亮点：

1. 发现黑磷的边缘位点是固定LiPS的关键。

2. 使用黑磷量子点作为电催化剂，有效抑制了锂硫电池中多硫化物的穿梭。

锂硫电池中的穿梭效应是一个老大难的问题。研究人员开发了一系列物理或化学方法来锚定多硫化物，可惜的是，至今仍然任重道远。在大多数情况下，化学固定导致阻塞的LiPS不能有效地重复使用，物理固定更不用说了。此外，含金属化合物的高质量密度和有限的吸附位点也阻碍了硫正极的高能量密度的提升。

黑磷（BP）是磷的热力学最稳定的同素异形体，具有良好的电导率，大的Li+扩散常数，与硫的结合能高等一系列优点。这些性质决定了BP可以与LiPS化学结合，并通过良好的导电性和快速的Li+扩散将它们立即转化为Li2S，而不会明显地补偿活性材料的质量分数。之前有文献报道，在隔膜或集流体上采用少量BP薄片可以抑制LiPS的扩散，然而10wt％的电化学惰性BP会降低锂硫电池的能量密度。

有鉴于此，香港理工大学劉樹平课题组和清华大学张强课题组发展了一种利用黑磷量子点电催化作用抑制锂硫电池穿梭效应的新策略。

参考文献：

Exceptional catalytic effects of blackphosphorus quantum dots in shuttling-free lithium sulfur batteries[J], NatureCommunications, 2018.

DOI: 10.1038/s41467-018-06629-9

https://www.nature.com/articles/s41467-018-06629-9

qianshan

张强Angew.：发现离子溶剂络合物在金属负极表面还原稳定性下降的本质原因

有机电解液固有的不稳定性严重限制了锂金属、钠金属等高比能金属负极材料的应用。离子-溶剂复合物能够进一步促进有机电解液在金属负极上的分解。清华大学的张强教授等通过第一性原理计算对离子-溶剂络合物在金属负极上还原稳定性的下降进行了研究。他们选择了醚类电解液溶剂和酯类电解液溶剂来与Na+、Li+、K+、Mg2+、Ca2+等发生相互作用。离子-醚类溶剂的LUMO轨道能级与其结合能成线性关系并通过LUMO能级中碳原子轨道的比例来调控。而离子-酯类溶剂的LUMO轨道能级主要由金属原子轨道组成。该工作揭示了离子溶剂络合物在金属负极表面还原稳定性下降的本质原因，并给出了两种溶剂的还原机理。同时，研究结果还为电解质-负极界面稳定性提供了理论依据和指导意义。

Chen X, LiH, et al. The Origin of Reduced Reductive Stability of Ion-Solvent Complexes on Alkali and Alkaline Earth Metal Anodes[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2018.

DOI: 10.1002/ange.201809203

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/ange.201809203?af=R

liminghuagong

张强Angew.：锂硫电池中与锂兼容的高介电电解质

高介电溶剂已被研究用于提高Li-S电池中硫的利用率，但是它们的应用受到锂金属负极低稳定性的阻碍。张强课题组报道了一种基于四甲基脲（TMU）的高ε非质子溶剂的电解质，其具有自由基定向路径，与锂兼容和强的多硫化物溶剂化能力。TMU具有与高ε溶剂(如DMSO，DMA和DMF此类有效稳定高活性中间体S3•-自由基)相当的溶剂化S3•-自由基的能力，指导向高硫利用率的反应途径，且对金属锂负极具有更好的稳定性。使用DOL作为辅助钝化锂的共溶剂，DOL /TMU（v/v = 1：1）电解质在电解质缺乏的条件下实现了介导的反应机制。在Li|Li对称电池中实现了长于200 h的循环时间，证明了TMU基电解质与锂金属的良好相容性。短链多硫化物的高溶解度以及活性S3•-自由基的存在使得电池能够提供1524 mAh g-1的放电比容量和324 Wh kg-1的能量密度。

Zhang G,Peng H, Zhao C, et al. The Radical Pathway Based on a Lithium-Metal-Compatible High-Dielectric Electrolyte for Lithium-Sulfur Batteries[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2018.

DOI:10.1002/anie.201810132

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201810132

xiandao

金属锂有极高的理论比容量与最低的电极电势（相对标准氢电极），是未来高比能电池负极的必然选择。然而，锂离子在从电解质沉积至负极的过程中，不均匀沉积形成的树枝状或苔藓状枝晶，不仅降低了电池充放电过程中的库伦效率，还存在安全隐患，大大限制了金属锂电池的实际应用。

有鉴于此，清华大学张强课题组借鉴化工分离设备中引入填料实现流体的再分布的思想，提出使用具有三维离子通道的固态电解质作为电池中离子再分布器，促进金属锂均匀沉积。

具体来讲，该研究团队提出再分布器的概念，将其引入金属锂电池中，利用具有三维离子通道的铝掺杂 Li6.75La3Zr1.75Ta0.25O12(LLZTO)构筑超薄离子再分布器，将由于多孔隔膜等诸多因素导致的非均匀的锂离子分布均匀化，实现锂离子的均匀无枝晶沉积，提高电池循环效率与耐久性。同时，LLZTO离子导率高，固态快离子导体的引入有助于降低有机液态电解液用量，进一步提高电池能量密度，增强电池安全性。

本工作借鉴化工分离设备中填料再分布流体的特征，使用具有三维离子通道的固态电解质构筑离子再分布器。采用三维快离子导体LLZTO构筑再分布器引导锂离子分布，促进锂离子均匀传输。在此离子再分布器诱导下，金属锂电池中金属锂负极沉积。

通过进一步优化锂离子再分布器种类、厚度、结构，有望进一步提升金属锂负极性能。此外，离子再分布器的思路可进一步拓展，用于多种金属电池，例如钠电池、锌空气电池、铝金属电池等。

参考文献：

Zhao CZ, Chen PY, Zhang R, Chen X, Li BQ, Zhang XQ, Cheng XB and Zhang Q. An ion redistributor for dendrite-free lithium metal anodes [J]. Science Advances, 2018, 4, eaat3446. DOI:10.1126/sciadv.aat3446

http://advances.sciencemag.org/content/4/11/eaat3446.full

youjiang

报告题目：Advanced Energy Materials for Lithium-Sulfur Batteries
报 告 人：张强 教授 清华大学
报告时间：2018年9月20日（星期四）15:30
报告地点：东北林业大学科技楼813


报告摘要：Among various promising candidates with high energy densities, lithium-sulfur (Li-S) batteries with a high theoretical capacity and energy density are highly attractive; while the commercial application of Li-S batteries still faces some persistent obstacles, such as the low electrical conductivity of sulfur and lithium sulfide and the dissolution of polysulfides. The introduction of nanocarbon into the field of Li-S batteries sheds a light on the efficient utilization of sulfur by improving the conductivity of the composites and restraining the shuttle of polysulfides. In this report, the concept for the rational design of nanocarbon for energy storage is explained. The advances in the use of advanced energy materials in the cathode, separator, and anode is explained. New insights on the relationship between the nanostructure and the electrochemical performance are presented.


报告人简介：
张强，清华大学长聘教授，曾获得国家杰出青年科学基金、国家优秀青年科学基金、中组部万人计划青年拔尖人才、英国皇家学会Newton Advanced Fellowship、2017年科睿唯安全球高被引科学家。从事能源材料研究，尤其是金属锂、锂硫电池和电催化的研究，主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金、教育部博士点基金、北京市科委重点项目等。以第一作者/通讯作者在Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Nature Commun., Sci. Adv., Chem等发表SCI收录论文100余篇；所发论文引用17000余次，h因子为76，61篇为ESI高引用学术论文。担任国际期刊J Energy Chem编辑、Adv Mater Interfaces、Sci China Mater、Sci China Chem、Philos Trans A编委，Energy Storage Mater、Adv Funct Mater客座编辑。担任Nature Energy、Nature Nanotech、Nature Catal、Sci Adv、JACS、Adv Mater、Angew Chem等期刊特约审稿人或仲裁人。

taoluduo

张强AM：纳米CoNi氢氧化物@羟基硫化物核壳异质结构增强OER

张强课题组通过乙醇改性的表面硫化方法制备纳米级CoNi氢氧化物@羟基硫化物核-壳异质结构，展示出优异的OER催化性能。先合成CoNi氢氧化物片，然后在氢氧化物表面上可控地产生超薄CoNi羟基硫化物壳层，形成核-壳异质结构。基于有效可控的4 nm超薄壳层的核壳异质结构确保了适度调节的电子结构、显著增强的电荷转移、充分暴露活性位点和用于电催化的强耦合异质界面。

Wang B, Tang C, Wang H, et al. A Nanosized CoNi Hydroxide@Hydroxysulfide Core–Shell Heterostructure for Enhanced Oxygen Evolution[J]. Advanced Materials, 2018.

DOI: 10.1002/adma.201805658

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201805658

mingbai

清华大学张强Chem综述：固态电解质与金属锂“联姻”中的能源化学

清华大学张强教授团队就金属锂电极和固态电解质匹配过程中存在的材料和界面化学问题进行了梳理，发表了题为“Recent Advances in Energy Chemistry

between Solid-State Electrolyte and Safe Lithium-Metal Anodes”的综述论文。在本篇综述中，首先引入固态电解质和金属锂电极匹配时存在的问题。其次，作者介绍了解决这些问题时，需要关注的基本原则和规律。基于这些基本原理和方法，作者总结了近年来提出的提高固态金属锂电池安全性和寿命的高效策略。最后，作者就这些保护策略展开讨论，并对今后的固态金属锂电极的研究和发展方向进行了展望。

使用固态电解质和金属锂负极的固态金属锂电池有望进一步提高电池的能量密度，提供大幅度提高3C类电子产品和电动汽车续航时间的美好愿景。但是，在实际运行过程中，固态电解质依然无法完美解决金属锂负极的问题。高界面阻抗、枝晶生长、低循环容量等问题严重限制了固态金属锂电池的发展。为了获得长循环、高容量和高安全的金属锂电极，固态电解质和金属锂的界面处的扩散和反应行为、稳定界面构建、界面阻抗降低、与正极的兼容性、工作状态下电池的表征、高通量筛选、电池整体考虑等还需要进一步设计。通过化学、工程、能源材料、机械和电池管理等的协同合作，固态金属锂电池的实际应用也会发生在不久的未来。

近年来，清华大学张强教授研究团队在能源材料化学领域，尤其是锂硫电池、金属锂负极和电催化开展研究工作。在金属锂负极的研究领域，其通过原位手段研究固态电解质界面膜，并采用纳米骨架、人工SEI、表面固态电解质保护调控金属锂的沉积行为，抑制锂枝晶的生长，实现金属锂的高效安全利用。这些相关研究工作发表在Angew. Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., PNAS, Nat. Commun., Chem, Joule, Energy Environ. Sci., Energy Storage Mater.等期刊。该研究团队在锂硫电池及金属锂保护领域申请了一系列发明专利。

文献链接：Xin-Bing Cheng, Chen-Zi Zhao, Yu-Xing Yao, He Liu, Qiang Zhang, Recent Advances in Energy Chemistry between Solid-State Electrolyte and Safe Lithium-Metal Anodes（Chem, 2018, https://doi.org/10.1016/j.chempr.2018.12.002）

https://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(18)30541-2

guihua

主题 高安全电池中的金属锂能源化学
活动时间 2019年06月09日 09:30 - 2019年06月09日 11:00
活动地址 中山大学丰盛堂A403
主讲人 张强 教授 清华大学
主持人 余丁山教授
报告摘要：
Li metal is considered as the “Holy Grail” of energy storage systems. The bright prospects give rise to worldwide interests in the metallic Li for the next generation energy storage systems, including highly considered rechargeable metallic Li batteries such as Li-O2 and Li-sulfur (Li–S) batteries. However, the formation of Li dendrites induced by inhomogeneous distribution of current density on the Li metal anode and the concentration gradient of Li ions at the electrolyte/electrode interface is a crucial issue that hinders the practical demonstration of high-energy-density metallic Li batteries.
In this talk, we review energy chemistry of lithium metal anode in safe batteries. Firstly, the importance and dilemma of Li metal anode issues in lithium–sulfur batteries are underscored, aiming to arouse the attentions to Li metal anode protection. Specific attentions are paid to the surface chemistry of Li metal anode. Next, the proposed strategies to stabilize solid electrolyte interface and protect Li metal anode are included. Finally, a general conclusion and a perspective on the current limitations, as well as recommended future research directions of Li metal anode in rechargeable batteries are presented.


报告人简介：
张强，清华大学长聘教授，从事能源材料研究，尤其是金属锂、锂硫电池和电催化的研究。曾获得国家自然科学基金杰出青年基金、中组部万人计划青年拔尖人才、英国皇家学会Newton Advanced Fellowship、2017-2018年科睿唯安全球高被引科学家。
担任国际期刊J Energy Chem编辑、Adv Mater Interfaces、Sci China Mater、Sci China Chem、Philos Trans A编委，Energy Storage Mater、Adv Funct Mater客座编辑。主持国家重点研发计划课题、自然科学基金、教育部博士点基金、北京市科委重点项目等。担任Nature Energy、Nature Nanotech、Nature Catal、Sci. Adv.、JACS、Adv. Mater.、Angew. Chem.等期刊特约审稿人或仲裁人。
以第一作者/通讯作者在Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Nature Commun., Sci. Adv., Chem等发表SCI收录论文100余篇；所发论文引用23000余次，h因子为81，61篇为ESI高引用学术论文。

huachuan

清华大学化工系张强教授课题组在国际著名期刊Advanced Materials上发表了题为“Analyzing Energy Materials by Cryogenic Electron Microscopy: A Review”的综述文章（DOI:10.1002/adma.201908293）。该综述从冷冻电镜的发展及其在表征能源材料的优势入手，总结了冷冻电镜表征能源材料所需样品的制备过程，以及梳理了按照冷冻电镜功能划分的能源材料领域研究新发现，特别是锂金属及其表界面的最新研究成果。最后文章对冷冻电镜在能源材料领域的应用与发展方向进行了展望。该综述为未来精确表征对电子和空气敏感的电极材料的结构和化学信息，评价电池工作和失效机理提供了重要参考。

luzao

五四青年节来临之际，第34届“北京青年五四奖章”评选揭晓，30名优秀青年获此殊荣，化工系张强老师入选。本次表彰的30名获奖者都是奋斗在北京各条战线上的优秀青年，在平凡的岗位上，在决战决胜脱贫攻坚、打赢疫情防控战中，拼搏担当、开拓进取，取得了突出的成绩。
　　“北京青年五四奖章”是共青团北京市委员会、北京市人力资源和社会保障局授予北京青年的最高荣誉。在30位获奖者中，有引领科技创新潮流的创业者，有积极备战北京冬奥会的运动健将，有建设城市副中心的工程师，也有穿梭于楼宇社区的“快递小哥”“小巷管家”。获奖者中，还有基层民警、消防员、青年教师、媒体记者、环卫工人、基层社工等，具有较强的广泛性、代表性，展现出了新时代首都青年的良好精神风貌。

nuli

石墨因具有较低的工作电位和极好的结构稳定性成为商用锂离子电池负极材料的最佳选择。然而，电池充电过程中锂离子在石墨层间的嵌入动力学过程缓慢容易导致低电位下碳表面析锂行为发生，影响电池安全。因此，石墨负极是决定商业化锂离子电池快充能力的主要因素。加速锂离子嵌入石墨层间的动力学过程及降低电极表面的极化电位是实现石墨电极的快充能力的底层化学理论。在石墨表面构建稳定的纳米保护层是目前广泛采用的技术路线，能有效提高电池的首次库伦效率及充放电倍率性能。但是，针对石墨表面纳米包覆层提升快充性能的相关机制研究相对匮乏。

        清华大学张强教授研究团队采用湍层碳包覆石墨（G@TC）作为模型来深入研究石墨负极表面纳米层包覆对锂离子在电极/电解质界面和电极体相传输行为的影响。研究结果表明石墨表面的湍层碳能提高石墨片X-Y轴平面的活性位点，加速锂离子在X-Y轴平面的扩散速度，增加有序/无序混合通道，增大锂离子的扩散系数、降低极化效应，表现出较好的快充性能（电池在2 C充电倍率下保持270mAh/g的比容量），相关成果发表在Small Structures（DOI:10.1002/sstr.202000010）上。
        该研究团队发现在石墨表面包覆湍层碳后不会明显的改变表面其固体电解质膜（SEI）的组成。通过引用参比电极分析了石墨工作电极的电化学行为，研究发现石墨表面的包覆碳层不改变锂离子在界面处的脱溶剂化能和穿过SEI过程的活化能。结合阿伦尼乌斯公式（k=Ae-Ea/RT），推断出包覆的湍层碳能为石墨片平面处提供额外的活性位点，影响反应速率的指前因子A。由于湍层碳的各项同性及较大的层间距，能为锂离子提供更多的有序/无序混合通道，从而加速锂离子快速扩散进入石墨层间。动力学实验结果表明G@TC展现出较小的极化效应及较大的离子扩散系数。因此，G@TC表现出优异的倍率性能及低温抑制析锂性能。该工作表明石墨表面包覆纳米层提高其倍率性能的重要性，为加速石墨负极快充应用的研究提供了更为深入的理论分析。

xiuxing

鉴于在二次锂离子电池的电解液分子模拟与机器学习领域取得的重要成果，化工系张强教授团队近日受国际最权威的化学综述类科技期刊《化学评论》（Chemical Reviews）邀请，就应用分子模拟与数据科学方法进行二次电池电解液研究这一主题，发表了《应用经典、从头算和机器学习分子动力学模拟进行二次电池液态电解液的研究》（Applying Classical, Ab Initio, and Machine-Learning Molecular Dynamics Simulations to the Liquid Electrolyte for Rechargeable Batteries）综述论文。该综述总结了经典、从头算和机器学习三类分子动力学模拟方法的基本原理和最新理论进展，梳理了近年来采用分子动力学（MD）模拟方法探究电解液微观结构、电解液宏观性质以及电解液与电极界面反应机制的相关工作，并指出新兴的机器学习技术与MD模拟方法结合，是未来有望解决MD方法和电解液研究面临的问题和挑战，加速二次电池电解液的开发设计的重要的发展方向。

分子动力学模拟方法（MD）在研究电解液结构、电解液性质和电解液–电极界面反应中的应用

        构建以清洁、可再生能源为主体的能源体系是实现可持续发展的必经之路，以二次电池为代表的储能器件则在其中扮演着连接发电源头与终端需求的重要角色。电解液作为二次电池的一大组成部分，直接影响电池的安全性、稳定性、快充性能和循环寿命等，因此始终受到广泛的研究和关注。而计算机科学技术的飞速进步促进了基于基本物理和化学理论的分子模拟方法以及机器学习、深度学习等数据科学方法的发展与应用。分子模拟方法能够从电子、原子和分子层面揭示微观机理、解释宏观现象，而数据科学方法则具备从实验与计算模拟结果中进一步挖掘信息的能力，两者正日益成为电解液研究中不可或缺的手段。
        将MD模拟方法用于研究电解液组成和电极性质的变化对电解液中各组分相互作用的影响，并进一步与离子导率和化学稳定性等宏观物化性质关联，指导设计有利的电解液结构。除了给出坐标演化以分析电解液的结构，MD模拟还包含原子电荷和模拟体系的温度、压力和能量信息，诸多理论模型能够基于以上信息和相应的统计分析导出熔沸点、介电常数和黏度等电解液的重要物化性质。MD方法一方面助力了在原子和分子层面上深入理解这些宏观性质，另一方面可以进行高通量计算，或与新兴的机器学习方法相结合进行电解液性质预测，高效获取电解液性质，优化电解液配方。另外，电解液还作为连接正、负极的桥梁与电极接触、构成通路，因此两者界面处发生的反应以及界面稳定性也直接影响电池性能。这就要求进一步从宏观角度拓展原本具有微观优势的MD模拟方法，包括模型建立、计算效率以及与宏观尺度的关联等。MD模拟与机器学习技术的结合将是解决上述问题的重要途径，有望推动对化学机理的更深入理解及促进高性能电解液以及其他材料体系的开发进程。
         前期，化工系张强团队在锂电池电解液领域结合多尺度模拟与实验表征方法，提出并发展离子–溶剂化学理论，在分子层面上揭示了电解液与负极间化学反应机制（Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 734–737; J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 212−218），为电解液的理性设计提供了重要理论参考；提出了氟代碳酸乙烯酯、阳离子添加剂等重要电解液设计策略，构筑了稳定的金属锂负极（Adv. Funct. Mater. 2017, 27, 1605989; Chem 2020, 6, 2242–2256）；发展了电解液电解常数、粘度等计算方法和机器学习模型，构建电解液基础物理化学性质数据，为电解液工程的实施打下了坚实的基础（Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 21473–21478; Angew. Chem. Int. Ed. 2021, 60, 24354–24366）。
         该综述文章的第一作者为化工系2019届博士生姚楠, 通讯作者为张强教授和陈翔博士。上述工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、北京市自然科学基金、中国博士后科学基金、中国科协青年人才托举工程、清华大学国强研究院等项目的支持。
         论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemrev.1c00904