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[课题组] 北京大学新材料学院潘锋

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发表于 2017-3-5 10:14:02 | 显示全部楼层 |阅读模式
潘锋教授(博导)是北京大学深圳研究生院新材料学院创院院长,  美国劳伦斯伯克利国家实验室高级访问科学家。1985年获北大化学系学士,1988年获中科院福建物构所硕士,1994年获英国Strathclyde大学博士(获最佳博士论文奖),1994-1996年瑞士ETH博士后。
        潘锋教授目前聚焦“新材料基因组(高通量的计算、合成与检测及数据库系统)”的研发及用于“清洁能源及关键材料研发”,包括新型太阳能电池、热电发电、储能和动力电池及关键材料的跨学科的基础研究和产品开发,具有十多年在国际大公司从原创基础研究到创新产品产业化的经历 。2011年创建北京大学新材料学院(深圳研究生院),2012年底作为项目的首席科学家和技术总负责,以北大新材料学院作为协同创新的枢纽,组织深圳市动力电池、材料、装备、研发等8家企业组成完整产业链创新群体,申请和承担了国家(3部委)重大专项--新能源汽车(动力电池)创新工程项目,已圆满完成项目。2013年作为团队负责人获得广东省引进 “光伏器件与储能电池及其关键材料创新团队”的重大项目支持。2015年任科技部“电动汽车动力电池与材料国际联合研究中心”(国家级研发中心)主任。2016年作为首席科学家组织11家单位(8所大学+深圳超算+2家深圳百亿产值的电池企业)申报成功国家材料基因组平台重点专项(“基于材料基因组的全固态锂电池及关键材料研发”)。潘锋教授在SCI收录国外期刊发表近120多篇技术论文和书章,被Elsevier列为2015年中国高被引学者(Most Cited Chinese Researchers)之一,3项国际发明专利,30多项国内专利申请。

潘锋

潘锋
       学习经历
       1985年获北大化学系学士
       1988年获中科院福建物构所硕士(师从梁敬魁先生)
       1994年获英国Strathclyde大学博士(获最佳博士论文奖)
       1994-1996年瑞士ETH博士后
       工作经历
       2011年创建北京大学新材料学院(深圳研究生院)
       2012-16年作为项目的首席科学家和技术总负责联合8家企业承担和完成了国家新能源汽车动力电池创新工程项目
       2013年作为团队负责人获得广东省引进 “光伏器件与储能电池及其关键材料创新团队”的重大项目支持
       2015年任科技部“电动汽车动力电池与材料国际联合研究中心”(国家级研发中心)主任
       2016年作为首席科学家组织11家单位承担国家 “基于材料基因组的全固态锂电池及关键材料研发”重点专项
       荣誉及奖励
       2015-18连续四年入选爱思唯尔中国高被引学者
       2016年国际电动车电池协会(ABAA10)杰出研究奖
       2018年获得美国电化学协会“ECS电池领域科技创新奖”。

        研究领域:
        1. 新能源材料基因组研究(设计、计算、合成、表征); 2. 纳米与晶体的结构与性能;  3. 新型装备研究与开发(3D打印、高功率等离子); 4. 动力与储能电池及关键材料 ;5. 新型太阳能电池与关键材料(柔性薄膜、银浆);6. 新型室温热电材料
        
发表论文
1.  J Lu, Z Chen, F Pan*, Y Cui*, K Amine*;High-Performance Anode Materials for Rechargeable Lithium-Ion Batteries; Electrochemical Energy Reviews 2018, DOI 10.1007/s41918-018-0001-4.   
2. Q Zhou, Z Shen, C Zhu, J Li, Z Ding, P Wang, F Pan, Z Zhang, H Ma, S Wang, and H Zhang*; Nitrogen-Doped CoP Electrocatalysts for Coupled Hydrogen Evolution and Sulfur Generation with Low Energy Consumption; Advanced Materials 2018, DOI: 10.1002/ adma.201800140.  (SCI, IF=19.791)  
3.  W Wu, J Pu, J Wang, Z Shen, H Tang, Z Deng, X Tao, F Pan, H Zhang*; Biomimetic Bipolar Microcapsules Derived from Staphylococcus aureus for Enhanced Properties of Lithium–Sulfur Battery Cathodes; Adv. Energy Mater. 2018, 1702373,1-9. (SCI, IF=16.721)  
4.  G Xu, R Amine, A Abouimrane, H Che, M Dahbi, Z Ma, I Saadoune, J Alami, W Mattis, F Pan, Z Chen, K Amine*; Challenges in Developing Electrodes, Electrolytes, and Diagnostics Tools to Understand and Advance Sodium-Ion Batteries; Adv. Energy Mater. 2018, 1702403,1-63.(SCI, IF=16.721)   
5.  S Li, Y Liu, F Liu, D He, J He, J Luo, Y Xiao*,F Pan*;  Effective Atomic Interface Engineering in Bi2Te2.7Se0.3 Thermoelectric material by Atomic-Layer-Deposition approach; Nano Energy, DOI: 10.1016/j.nanoen. 2018.04.047. (SCI, IF=12.343)  
6.  Y Xiao, T Liu, J Liu, L He, J Chen, J Zhang, P Luo, H Lu, R Wang, W Zhu, Z Hu, G Teng, C Xin, J Zheng, T Liang, F Wang, Y Chen, Q Huang, F Pan, H Chen; Insight into the origin of Lithium/Nickel ions exchange in layered Li(NixMnyCoz)O2 cathode materials;Nano Energy, DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.04.020. (SCI, IF=12.343).
7.  Z Wang, Z Wang, L Yang, H Wang, Y Song, L Han, K Yang, J Hu, H Chen, F Pan; Boosting Interfacial Li+ Transport with a MOF-Based Ionic Conductor for Solid-State Batteries; Nano Energy, DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.04.076. (SCI, IF=12.343).  
8.  C Liu, X Wang, W Deng, C Li, J Chen, M Xue*, R Li*, F Pan; Engineering Fast Ion Conduction and Selective Cation Channels for High-Rate and High-Voltage Hybrid Aqueous Battery; Angewandte Chemie 2018, 10.1002/ange.201800479. (SCI, IF=11.994)   
9.  Q Zhao, J Yang, M Liu, R, G Zhang, H Wang, H Tang, C Liu, Z Mei, H Chen, and F Pan; Tuning electronic push/pull of Ni-based hydroxides to enhance hydrogen and oxygen evolution reactions for water splitting; ACS Catalysis; 2018, DOI: 10.1021/acscatal.8b01567. (SCI,IF=10.614)  
10.  M Weng, S Li, J Zheng, F Pan*, L Wang*; Wannier Koopmans Method Calculations of 2D Material Band Gaps; J. Phys. Chem. Lett. 2018, 9, 281-285.(SCI, IF=9.353)  
11.  W Xiao, C Xin, S Li, J Jie, Y Gu, J Zheng*, F Pan*; Insight into fast Li diffusion in Li-excess spinel lithium manganese oxide; Journal of Materials Chemistry A 2018, DOI: 10.1039/C8TA01428K. (SCI, IF=8.867)   
12. Y Wang, R Fei, R Quhe, J Li, H Zhang, X Zhang, B Shi, L Xiao, Z Song, J Yang, J Shi, F Pan, and J Lu;Many-body Effect and Device Performance Limit of Monolayer InSe; ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, DOI: 10.1021/acsami.8b06427.(SCI.IF=7.504)
13. Z Song, X Sun, J Zheng, F Pan, Y Hou, M Yung*, J Yang* and J Lu*; Spontaneous Valley Splitting and Valley Pseudospin Field Effect Transistor of Monolayer VAgP2Se6; Nanoscale 2018, DOI:10.1039/C8NR04253E.(SCI. IF=7.367)  
14.  Y Feng,‡ R Tan,‡ Y Zhao, R Gao, L Yang, J Yang, H Li, G Zhou, H Chen, F Pan*;  Insight into Fast Ion Migration Kinetics of A New Hybrid Single Li-Ion Conductor Based on Aluminate Complexes for Solid State Li-Ions Battery; Nanoscale 2018, DOI: 10.1039/C8NR00573G. (SCI, IF=7.367)  
15.  W Deng, X Wang, C Liu, C Li, M Xue* ,R Li*, F Pan;Touching the theoretical capacity: synthesizing cubic LiTi2(PO4)3/C nanocomposites for highperformance lithium-ion battery; Nanoscale 2018, DOI: 10.1039/c7nr09684d. (SCI, IF=7.367)  
16.  H Wang, L Liu, R Wang, X Yan, Z Wang, J Hu, H Chen, S Jiang, L Ni, H Qiu, H Tang, Y Wei, Z Zhang, Q lun and F Pan; Microspheres self-assembled by anti-site defect-less nanocrystal-LiFePO4@C/rGO to achieve both high-rate capability and hightap density for Li-ion batteries; ChemSuschem 2018, DOI: 10.1002 /cssc. 201800786.  (SCI,IF=7.226)  
17.  Z Zhuo, P Lu, C Delacourt, R Qiao, K Xu, F Pan*, S.J.Harries*, W Yang*; Breathing and oscillating growth of solid-electrolyte-interphase upon electrochemical cycling; Chemical Communications, 2018, DOI: 10.1039/ C7CC07082A. (SCI,IF=6.319)   
18.  M Li, J Liu, T Liu, M Zhang*, F Pan*; A versatile single molecular precursor for the synthesis of layered oxide cathode materials for Li-ion batteries; Chemical Communications 2018,  DOI: 10.1039/C7CC08505B. (SCI, IF=6.319)  
19.  C Liu, J Hu, L Yang, W Zhao, H Li, F Pan*; Low-surface-area nitrogen doped carbon nanomaterial for advanced sodium ion batteries; Chemical Communications ,2018, DOI: 10.1039/C7CC09911H. (SCI, IF=6.319)  
20.  X Yang, Y Min, S Li, D Wang, Z Mei*, J Liang, F Pan*; Conductive Nb-doped TiO2 Thin Films with the Whole Visible Absorption to Degrade Pollutants; Catalysis Science & Technology 2018, DOI:10.1039/ C7CY02614E. (SCI, IF=5.773).   
21. Z Mei,  Y Li, X Yang, W Ren, S Tong, N Zhang, W Zhao, Y Lin and F Pan ;Tuning nanosheet Fe2O3 photoanode with C3N4and p-type CoOx decoration for efficient and stable water splitting; Catalysis Science &Technology 2018; DOI:10.1039/C8CY00729B. (SCI, IF=5.773)   
22.  J Yan, X zhang, Y Pan, J. Li, B Shi, S Liu, J Yang, Z Song, H Zhang, M Ye, R Quhe, Y Wang, J Yang, F Pan and J Lu; Monolayer Tellurene—Metal Contacts; J. Mater. Chem. C, 2018, DOI: 10.1039/C8TC01421C. (SCI, IF=5.256)  
23.  S Liu, J Li, B Shi, X zhang, Y Pan, M Ye, R Quhe, Y Wang, H Zhang, J Yan, L Xu, Y Xiao, F Pan, J Lu; Gate-tunable interfacial properties of in-plane ML MX2 1T'-2H heterojunctions. Journal of Materials Chemistry C, 2018, DOI: 10.1039/ C8TC01106K. (SCI, IF=5.256)
24.  G Zhang,† H Wang,† J Yang, Q Zhao, L Yang, H Tang, C Liu,H Chen, Y Lin, F Pan*; Temperature Effect on Co-Based Catalysts in Oxygen Evolution Reaction; Inorganic Chemistry 2018, DOI: 10.1021/acs.inorgchem. 7b03168.(SCI, IF=4.875) 
25.  Z Hu†, J Zheng†, C Xin†, G Teng, Y Zuo, F Pan*;Inorganic Aromaticity of Mn6-Ring Clusterin Layered Li(Ni0.5Mn0.5)O2;The Journal of Physical Chemistry C 2018,DOI: 10.1021/acs.jpcc.7b10968.(SCI, IF=4.536)  
26. S Li, W Xiao, Y Pan, J Jie, C Xin, J Zheng, J Lu, and F Pan; Interfacial Properties of Monolayer SnS-Metal Contacts; J. Phys. Chem. C 2018; DOI:10.1021/acs.jpcc.8b03308. (SCI, IF=4.536)  
27. Y Weng, H Liu, S Ji, Q Huang, H Wu, Z Li, Z Wu, H Wang, L Tong, R K.Y. Fu, P. K. Chu, F Pan. A Promising Orthopedic Implant Material with Enhanced Osteogenic and Antibacterial Activity: Al2O3-coated Aluminum Alloy, Applied Surface Science, 2018:DOI: 10.1016/j.apsusc.2018.06.233.(SCI, IF=4.439)
28. H Zeng, Y Gu, G Teng, Y Liu, J Zheng and F Pan;Ab Initio Identification of Li-Rich Phase in LiFePO4;Physical Chemistry Chemical Physics 2018;DOI: 10.1039/C8CP01949E. (SCI, IF=4.123)   
29. L Liu, X An, Z Ma, Z Wu, W Tang, H Lin, RKY Fu, X Tian, PK Chu, F Pan. Hard and adherent aC: H gradient coatings by stress engineering, Journal of Alloys and Compounds 2018.(SCI, IF=3.779)
30.  Y. Luo†, M. Weng†, J. Zheng, Q. Zhang, B. Xu, S. Song, Y. Shen, Y. Lin*, F.Pan*, C. Nan; The origin of cycling enhanced capacity of Ni/NiO species confined on nitrogen doped carbon nanotubes for lithium-ion battery anodes; Journal of Alloys and Compounds 2018, DOI: 10.1016/j.jallcom.2018.03.269. (SCI, IF=3.133)   
31. C Jiang, Z Wu, S Xiao, Z Ma, L Liu, RKY Fu, PK Chu, H Lin, F PanStructural and optoelectrical properties of Nb-TiO2 films fabricated by low-energy magnetron sputtering and post-annealing, Surface and Coatings Technology 2018.(SCI, IF=2.906)
32. W Deng, X Wang, C Liu, C Li, M Xue*, R Li*, F Pan; Mutual Independence Ensured Long-Term Cycling Stability:Template-Free Electrodeposited Sn4Ni3 Nanoparticles as Anode Material for Lithium-Ion Batteries; ACS Appl. Energy Mater. 2018, DOI: 10.1021/ acsaem. 7b00242.   
33.  P Shan, D Kong, J Hu, H Wang, Z Wang, L Yang, H Chen, F Pan; In-situ activation for optimizing meso-/microporous structure of hollow carbon shells for supercapacitors; Functional Materials Letters, 2018, DOI: 10.1142/S1793604718500492.(SCI, IF=1.524)  
34.  H Wang, J Yang, L Yang, G Zhang, C Liu, H Tang, Q Zhao, F Pan; FeCoNi Sulphide Derived Nano-dots as Electrocatalysts for Efficient oxygen evolution reaction, Functional Materials Letters. (SCI, IF=1.524).
35.  X Liu, S Li, T Liu, W Zhu, R Wang, Y Xiao, F Pan; Tuning SnSe/ SnS hetero-interfaces to enhance thermoelectric performance; Functional Materials Letters 2018. DOI: org/ 10.1142/ S1793604718500698. (SCI, IF=1.524)

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发表于 2018-5-26 08:49:37 | 显示全部楼层
北大新材料学院成功实现原子尺度调控材料的热电输运特性

热电材料是能够通过固体中载流子的输运实现热能和电能直接转换的能量转换功能材料。与传统发电技术相比,采用热电材料制造的发电装置具有无机械转动部件,稳定可靠,对工作环境要求较低,应用的范围广等优势。目前热电材料的能量转换效率一直徘徊在10%左右,与理论预测可以无限接近卡诺循环效率的上限还有很大的差距。因此,改善热电材料的热电性能,提高能量转换效率,促进大规模实际应用,并探索热电转换机理具有重要的应用价值和科学意义。

通过合理的界面设计来优化材料中的热电输运特性是热电材料研究的核心问题。对传统的块体热电材料而言,材料中的界面主要由晶界构成,晶界能够将具有不同晶面取向的相同物相或者不同物相分开。通过合理的界面结构优化,平衡界面的电性能和热性能就成为提高热电性能的关键。

ALD技术在热电材料界面调控方面的应用

ALD技术在热电材料界面调控方面的应用
图一 ALD技术在热电材料界面调控方面的应用

北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋教授和肖荫果副教授课题组最近在热电材料界面调控方面取得重要进展,该课题组首次提出利用原子层沉积技术(ALD)对热电材料界面进行可控包覆,从而达到在原子尺度调控材料的热电输运特性的目的。针对目前商用的n型Bi2Te2.7Se0.3室温热电材料,从界面结构设计、尺度优化方面入手,系统地研究了界面对热电传输特性的各种因素,并实现了将该室温热电效率提高近一倍。该工作近日发表在国际材料与能源领域顶级期刊Nano Energy( 49,257p,影响因子为12.34)上。

原位升温TEM观测高温烧结

原位升温TEM观测高温烧结
图二 原位升温TEM观测高温烧结过程中Te在Bi2Te2.7Se0.3/ ALD ZnO界面的析出。(a)300K(b)475K(c)523K(d)573K(e)623K. (f)析出的Te纳米颗粒。(g)烧结过程中Te析出的示意图。

课题组在研发过程中采用本实验室先进的原位透射电子显微镜设备,直接观测到在高温烧结过程中Te在Bi2Te2.7Se0.3/ ALD ZnO界面的析出过程,为界面结构及成份的精确调控提供了直接依据。实验发现,通过精确调节ALD ZnO层的厚度可以实现界面的结构及成份的精确调控,优化材料的热电输运特性。这主要归因于界面的势垒对载流子的能量过滤效应,从而实现功率因子的最大化,同时利用界面对声子的散射效应降低了材料的热导率。结果证明这种基于ALD技术的界面设计方法是一种有效的对热电材料界面进行修饰的方法,可以推广并广泛应用于其他的热电材料体系。

热电输运特性随ALD ZnO沉积次数的变化趋势

热电输运特性随ALD ZnO沉积次数的变化趋势
图三(a)热电输运特性随ALD ZnO沉积次数的变化趋势(300K)。(b)热电优值。(c)界面结构对热电输运特性的调节的示意图。

该工作在潘锋教授和肖荫果副教授指导下,由北京大学新材料学院李拴魁博士完成。该工作的主要合作者还有深圳大学刘福生教授,上海大学的骆军教授,及南方科技大学的何佳清教授。

该工作的顺利开展得到了广东省引进科技创新团队项目、深圳市科技创新基础项目、中国博士后科学基金的支持。

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发表于 2018-6-21 07:15:55 | 显示全部楼层
北大新材料学院潘锋在Journal of Materials Chemistry A发表封底文章

目前电动车动力电池和消费电子电池都需要高能量密度和功率密度(快速充放电)的锂电池。富锂电极材料除了能提供更高的容量之外,富锂结构对产业在应用的Li1+xFe1-xPO4、Li2+2xFe1-xSiO4、Li2MnO3等材料中的Li离子迁移有一定的促进作用,能提高锂电池的充放电速度。富锂相的尖晶石锰酸锂Li1+xMn2-xO4也是常见的富锂材料之一,但此前缺乏对其Li离子迁移的系统性研究工作。

富锂相尖晶石锰酸锂快速扩散机理

富锂相尖晶石锰酸锂快速扩散机理
图 1 富锂相尖晶石锰酸锂快速扩散机理
理论配比相超胞(a)和富锂相超胞(b)中Mn离子的价态分布以及超胞所包含的锂离子扩散通道对应的gate sites上的离子分布;(c)不同锂离子扩散通道的迁移能垒

北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋教授课题组通过第一性原理计算方法系统地研究了富锂相尖晶石锰酸锂中Li离子的扩散性能,发现富锂结构对这一体系的Li离子迁移同样有着促进作用。尖晶石锰酸锂结构中存在一类被称为“gate sites”的基元负责调控Li离子的扩散。该研究发现,富锂构型为体系引入了两种Li离子迁移的快速通道,从而提升了Li离子的扩散性能。第一种快速通道的产生是由于富余的Li+取代了gate sites上的Mn3+,降低了gate sites上的阳离子与发生迁移的Li离子之间的库仑排斥。第二种快速通道的产生则是由于富锂后gate sites上出现了更多分布对称的Mn4+,它们对迁移的Li离子的库伦排斥力在垂直于Li迁移路径的平面上相互抵消,从而降低了Li的迁移能垒。此外,在一些慢速通道中,发生在gate sites上极子转移与Li离子的迁移耦合在了一起,导致了这些通道的高能垒。

该研究成果近期发表在能源材料学科前5%的国际顶级杂志Journal of Materials Chemistry A(JMCA)上(J. Mater. Chem. A, 2018, 6(21): 9893-9898,影响因子8.867),并被作为封底文章highlight推荐,文章题为Insight into fast Li diffusion in Li-excess spinel lithium manganese oxide。

该研究是在潘锋教授与郑家新副研究员的指导和团队成员的协助下,由2015级硕士研究生肖伟集同学完成的。本项目致谢国家材料基因组重点专项和广东省创新团队的支持。

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发表于 2018-7-9 07:45:11 | 显示全部楼层
报告题目:基于Ai与材料基因组科学和工程探索新型锂电池材料
报告人:潘峰 教授
               北京大学深圳研究生院新材料学院
报告时间:2018年7月12日 15:00-16:00
报告地点:厦门大学卢嘉锡楼202

报告摘要:锂电池作为能量密度最高的化学电源已经用作电动车的动力电池。为了加速新型锂电池材料的研发,特别是新型高能量密度和高稳定锂电池正极材料,我们已经基于于Ai(人工智能)和材料基因组科学与工程,包括高通量的计算、高通量的制备和高通量的检测,及数据库系统进行研发。我们团队在北京大学深圳研究生院新材料学院建设具有一百多万个晶体结构的材料数据库,对已有的晶体结构进行于人工智能的机器学习、模拟和计算,构建材料的知识图谱。为了设计和制备具有1000Wh/kg能量密度下一代正极材料,我们对高镍层状正极材料和富锂锰基正极材料这两个材料体系构效关系开展研究,系统探讨过渡金属原子之间的相互作用,提出“结构基元”(晶体结构中的局域结构和由单一或不同电子结构的元素的组合关键基团)及其之间电子间的直接交换(电子局域与离域共轭(发现了6个Mn连成的环具有电子共享的“芳香性” 和TM-O-TM(TM 是过渡金属)超交换相互作用 与所对应的锂离子高容量脱嵌过程中结构稳定性、磁性能和电化学性能之间的内在关联模型,揭示它们与层状材料电化学性能的构效关系。
报告人简介:潘锋教授(博导 )是北京大学深圳研究生院新材料学院创院院长, 美国劳伦斯伯克利国家实验室高级访问科学家。1985年获北大化学系学士,1988年获中科院福建物构所硕士(师从梁敬魁先生),1994年获英国Strathclyde大学博士(获最佳博士论文奖),1994-1996年瑞士ETH博士后。 目前聚焦“新材料基因科学与工程(材料的“基因”探索,材料高通量的计算、合成与检测及数据库等系统工程)”的研发及用于“清洁能源及关键材料研发”,包括新型太阳能电池、热电发电、储能和动力电池及关键材料的跨学科的基础研究和应用,具有十多年在国际大公司从原创基础研究到创新产品产业化的经历。2011年创建北京大学新材料学院(深圳研究生院),2012-16年作为项目的首席科学家和技术总负责联合8家企业承担和完成了国家(3部委)重大专项-新能源汽车动力电池创新工程项目。2013年作为团队负责人获得广东省引进 “光伏器件与储能电池及其关键材料创新团队”的重大项目支持。2015年任科技部“电动汽车动力电池与材料国际联合研究中心”(国家级研发中心)主任。2016年作为首席科学家组织11家单位(8所大学+深圳超算+2家深圳百亿产值的电池企业)承担国家材料基因组平台重点专项(“基于材料基因组的全固态锂电池及关键材料研发”)。潘锋教授在SCI收录国外期刊发表近200多篇技术论文和书章,被Elsevier列为2015,2016和2017年中国高被引学者(Most Cited Chinese Researchers)之一,2018年获得美国电化学协会“ECS电池领域科技创新奖”。3项国际发明专利,近70项国内专利申请。

诚邀各位老师同学参加!

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发表于 2018-9-14 15:25:41 | 显示全部楼层
北大在原位探测锂电池层状材料制备过程结构演化的研究取得进展



锂离子电池(LIB)在便携式电子设备,电动车等领域有着广泛的用途。富Ni层状氧化物正极材料,由于能量密度高、成本低等特点,已成为最有应用前景的下一代LIB正极材料之一。然而,随着层状材料中Ni含量的增加,产生了许多相关的问题,如实际容量和理论容量相差大,热稳定性低,循环稳定性差等。


在高Ni层状材料中存在着独特的Li/Ni无序的现象,即,部分Li+离子占据了过渡金属(TM)层的3a位,而部分Ni2+离子占据了Li层的3b位。Ni2+在Li层的存在会极大阻碍了Li+离子的在充放电过程中的脱出和插入,从而降低材料的实际容量。因此,Li/Ni无序被认为是导致高Ni材料实际容量低的重要原因之一。长久以来,Li/Ni无序在合成过程中何时发生,为什么发生,这些疑问一直没有得到解答。   

近日,北京大学深研院新材料学院潘锋教授课题组和美国Brookhaven国家实验室王峰教授课题组合作,针对这些问题通过同步辐射X射线原位探测锂电池富Ni层状氧化物正极材料在整个合成过程中的结构演化进行了深入系统的研究。研究中,采用多种同步辐射技术,包括X射线衍射(XRD),全散射(PDF)和吸收(XAS),在各种尺度下(长程和局域)对富Ni层状材料LiNi 0.77 Co 0.13 Co 0. 10O 2 原位合成过程中的结构演化过程进行追踪。

锂电池层状材料

锂电池层状材料
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图1 多模同步辐射X射线技术揭示高镍材料在合成过程中的长程拓扑相转变和局域多面体内的结构无序过程。

团队通过原位同步辐射XRD揭示了长程尺度上发生的从层状前驱体氢氧化物Ni 0.77 Co 0.13 Co 0. 10(OH) 2 到层状氧化物LiNi 0.77 Co 0.13 Co 0. 10 O 2 的拓扑相转变过程,以及相伴发生的先Li/Ni无序再Li/Ni有序的局域结构变化过程;原位PDF和原位XAS相结合将局域八面体内的Li/Ni无序过程与过渡金属Ni/Co/Mn的氧化动力学关联起来,揭示了NiO 6 八面体的对称性破缺和重构是Li/Ni无序现象发生的根本原因。这一原位实验结果进一步被理论计算结果所验证。 这些发现揭示了高Ni层状材料结构无序的合成起源,为合成过程中降低甚至消除结构无序提供了理论指导,有望显著提升富镍材料的实际容量及能量密度。该工作近日发表国际在化学和材料领域的知名杂志在‘美国化学会志(Journal of American Chemical Society,DOI:10.1021/jacs.8b06150,影响因子为14.357)上。

该工作是在北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋教授、美国Brookhaven国家实验室王峰教授、美国Argonne国家实验室Khlil Amine教授和美国国家同步辐射光源NSLS II白健明教授的共同指导下,由博士后张明建及相关人员一起完成。

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发表于 2018-10-14 10:20:44 | 显示全部楼层
Chem:水溶液电解质电化学窗口拓宽过程中的热力学与动力学贡献
水溶液电解质的电化学稳定窗口较窄(1.23 V),拓宽这个窗口无论对于科学研究还是实际应用都意义重大。超浓电解液将其电化学稳定窗口拓宽至3 V,但是这背后的机理仍然不够明确。在本文中,研究人员对电化学稳定窗口为2.55 V的LiNO3超浓水溶液电解质进行了理论和光谱分析。他们发现在高浓度下会出现紧密地Li+-水相互作用的局部结构,甚至出现了(Li(H2O)2)n的聚合物链状结构取代了水分子间普遍存在的氢键。这种结构对于电化学稳定窗口的拓宽意义重大。进一步地理论和实验分析对整个过程进行了细化,动力学因素在整个窗口拓宽的过程中占据主导地位。这种分子水平的定量分析有助于有效拓宽水溶液电化学稳定窗口的策略设计。

水溶液电解质电化学

水溶液电解质电化学

Zheng J,Tan G, et al. Understanding Thermodynamic and Kinetic Contributions in Expanding the Stability Window of Aqueous Electrolytes[J]. Chem, 2018.
DOI: 10.1016/j.chempr.2018.09.004
https://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(18)30424-8?rss=yes

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发表于 2019-7-5 08:46:38 | 显示全部楼层

作为一种理想的清洁能源,锂离子电池(LIB)长期以来受到人们的广泛关注。尽管LIB已在便携式电子设备、电动汽车等领域有着广泛应用,但其更大规模的应用仍受到能量密度、制造成本和循环寿命等瓶颈问题的限制。LiTMO2(TM=Ni,Mn,Co,or Nix Mny Coz,x+y+z=1)材料则是颇具前景的、能优化上述问题的正极材料,开发富镍层状过渡金属氧化物也逐渐成为对该类材料研究的焦点。然而,当Ni含量增高时,材料中的Ni/Li反位所导致的结构紊乱成为了一个关键的研究问题,因为它会对锂离子扩散、循环稳定性、首圈效率和整体电极性能产生不利影响;另一方面,适量的Ni/Li反位又能对材料电化学循环中的结构稳定性和热稳定性颇有裨益。通过调控Ni/Li反位现象从而高效地提升LiTMO2材料的性能,这一领域已引发了大量的研究和关注。

化学研究述评

化学研究述评

《化学研究述评》(Accounts of Chemical Research)封面

新材料学院潘锋教授团队近几年在此领域进行了大量的机理探索,在国际著名科技期刊(J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 8364-8367; J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 13326-13334; J. Phys. Chem. Lett. 2017, 8, 5537-5542; Nano energy 2018, 49, 77-85; J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 12484-12492; J. Mater. Chem. A 2019, 7, 513-519等)发表了十多篇文章,近期受邀为化学领域著名综述期刊《化学研究述评》(Accounts of Chemical Research)撰写锂电池层状材料中Ni/Li反位的起源和控制及其对电化学和电池性能的影响等机理研究进展总结和展望综述论文(Acc. Chem. Res. 2019, 10.1021/acs.accounts.9b00033),并入选封面文章。

该综述对层状过渡金属氧化物LiTMO2 (TM=Ni,Mn,Co,or Nix Mny Coz,x+y+z=1)中的Ni/Li反位现象,从电化学影响、出现的原因和控制的方法三个角度作出了综述,并对其原子尺寸、磁相互作用和动力学迁移三项主要影响因素进行了详细的分析和总结,对高性能层状过渡金属氧化物电极材料的进一步研究具有启发意义。

该评述第一作者是郑家新副教授,团队肖荫果副教授、博士生刘同超和国外的合作者参与了该工作,通讯作者是潘锋教授。该系列工作得到了国家材料基因工程重点研发计划、广东省重点实验室、深圳市科技创新委员会等项目的大力支持。

文章链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.accounts.9b00033


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发表于 2019-10-11 09:21:27 | 显示全部楼层
锂离子电池已经成功并广泛应用与手机、电脑和电动车上。大规模的电动车动力电池和储能电池应用需要资源丰富和成本低的原料,钠比锂的储量在地球更丰富因而成本更低,因此发展高容量高稳定钠离子电池是当前能源科技研发的前沿。钠离子层状氧化物正极材料以其优越的离子电导率、高比容量和更廉价的原料成本正在成为锂离子正极材料的有力替代者。然而,由于钠离子的半径大其层状插层材料在电化学循环过程中,容易受到因过渡金属层相对滑动引起的不可逆相变,导致该类正极材料始终存在循环稳定性欠佳的问题。北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋课题组与中科院化学所郭玉国课题组合作,运用材料基因组学的共同设计并合成了基于过渡金属d-轨道构成“无机类苯环”功能结构基元的具有超高稳定性的新型钠离子电池正极材料NaNi2/3Sb1/3O2,该成果以“An Ordered Ni6-Ring Superstructure Enables a Highly Stable Sodium Oxide Cathode”为题于近日发表在新材料领域知名期刊Advanced Materials (doi.org/10.1002/adma.201903483,IF="25.809)上。

正极材料

正极材料
       新材料学院潘锋团队在新材料的设计阶段时发现,这种具有高稳定性的钠电池材料的结构是由一种六边形的结构基元构成的。这种六边形的结构基元是以一个SbO6八面体为中心,周边排布六个NiO6八面体,且六个Ni离子排布成以Sb离子为中心的六边形结构。研究者通过结构化学和量子化学计算发现,Ni-O-Ni 结构形成的90度超交换作用在晶体结构中连接起来,形成一个由过渡金属d-轨道构成“无机类苯环芳香性”结构,由此给这种Na 电池材料提供了额外的稳定性。此外,该电池在充放电过程中的相变结构也被计算准确找到,为此类材料的相变和稳定性提供了理论基础。
       能够发现并设计该种材料并非偶然,此前潘锋教授团队在研究锰酸镍锂(LiNi0.5Mn0.5O2)材料中率先提出锂电池层状材料存在“无机类苯环芳香性”结构基元(J. Mater. Chem. A, 2018, 6, 9893-9898)。该研究从剖析结构基元的方式发现了电子交换作用和电子离域/局域化在过渡金属排序现象起到的关键作用,基于过渡金属自旋电子交换作用和电子局域/离域模型,发现了六个锰离子形成的六元环通过Mn4+直接交换形成的离域基团具有“无机类苯环”芳香性。这些研究为进一步设计和开发高性能的储能与动力电池材料提供结构化学的基础。
       该两项研究成果由潘锋指导,由博士生翁谋毅和胡宗祥分别完成。该系列工作得到了国家材料基因工程重点研发计划、广东省重点实验室、深圳市科技创新委员会等项目的大力支持。

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发表于 2020-5-19 10:02:15 | 显示全部楼层
2020年1月2日,深圳市委市政府在深圳会堂召开全市科学技术奖励大会,隆重表彰为深圳科技创新发展作出突出贡献的单位和个人,共对2018年和2019年的208个项目和20名人选予以奖励。其中北京大学深圳研究生院新材料学院创院院长潘锋讲席教授为主要完成人的“电动车动力电池材料结构及性能的基础科学研究”项目获得2018年自然科学奖一等奖,新材料学院王新炜副教授获得2018年深圳市青年科技奖。
        潘锋教授在颁奖现场,接受深视新闻记者采访时强调:“我们还是要脚踏实地、踏踏实实去解决面向产业的重大问题,来发现他们的基础研究问题以及科学发展的逻辑起点和科技起点”,彰显了北大人的求实创新风采。
        潘锋教授团队长期致力于通过交叉学科探索和构建结构化学研究的新方法,创造性运用图论发展结构化学的新体系,解决了传统结构化学识别晶体结构同构性的难题,构建了拥有几十万晶体结构材料大数据系统,发现一系列新型的二维和一维材料及基于过渡金属 “无机芳香环”功能结构基元的新型高性能锂电池材料,并应用于设计、制备和开发新能源材料,取得了系统性的创新性成果。发表了包括2篇《自然.纳米技术》在内的SCI代表性论文270余篇,其中影响因子10及以上和自然指数论文150余篇,2015-18连续四年入选爱思唯尔中国高被引学者;授权发明专利30余项。获2018年美国电化学学会电池科技奖和2016年国际电动车锂电池协会杰出研究奖。

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