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[专家学者] 中国科学技术大学材料科学与工程系余彦

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发表于 2017-4-1 08:40:30 | 显示全部楼层 |阅读模式
余彦,中组部首批“青年千人”入选者。研究兴趣功能材料的电化学制备、化学储能及相关电化学基础研究。主要研究方向为一维纳米材料的可控制备及应用、高性能锂离子电池、钠离子电池、锂硫电池等关键电极材料的设计、合成及储能机制。
个人简历:
2012―至今;教授,博导;中国科学技术大学2011―2012;副教授,硕导;北京航空航天大学
2009―2010; 洪堡学者;德国马普固体研究所(Max Planck Institute for Solid State Research)
2007―2008;博士后;美国佛罗里达国际大学(Florida International University)
2002―2006;博士;中国科学技术大学材料系
1997―2001;学士;安徽大学应用化学系


科研概况:Research ID Profile(C-7031-2012)
已在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater. Nano Lett.等国际重要学术刊物上发表SCI论文60余篇,被他人共引用2000余次。其研究主要包括功能材料的电化学制备、化学储能及相关的电化学基础,尤其在高性能锂离子电池、钠离子电池、锂硫电池等关键电极材料的设计合成、储能机制及提高性能等方面进行了深入探索,找出了优化及适应性的调控和解决途径。通过特殊纳微结构设计,部分解决了纳米储锂电极材料的体积膨胀效应问题,大幅提高了电极材料的容量、循环次数和倍率性能。迄今为止,先后获得了3项国际专利,2项中国专利。
余彦教授目前是RSC advance(影响因子:3.84)的副编辑。
研究方向一:锂离子电池
电子产品的日益小型化,功能化、集成化,以及电动汽车和可再生能源发电并网的调峰储能,人们对提供能源的二次电池提出了更高的要求。需要电池具有更小的尺寸、更轻的重量及更高的性能。因此,新型高比容量、高倍率性能的锂离子电池电极材料的开发极具迫切性。高性能的电极材料的研发制备技术是有待突破的关键技术之一。


(i)本课题组通过设计三维多孔结构的电极材料(代表作:Angew. Chem. Int. Ed. 44(2005)7085;Adv. Mater. 19(2007)993;Nanotechnology 18 (2007),055706;J. Phys. Chem. C 112 (11) (2008) 4176;Chemistry - An Asian Journal 1 (2006) 826);),并创新性的将Li2O作为“惰性”添加剂引入过渡金属氧化物负极材料体系,有效的抑制了过渡金属氧化物充放电过程中团聚现象,提高了电极的循环寿命。揭示了Li2O是原位“氧化剂”,氧化过渡金属离子从而循环容量逐步增加的规律,并系统阐明了纳米复合氧化物负极材料中的界面储锂机理。



(ii)设计合成具有“双碳层”的Sn@C填充的一维中空碳纳米线负极材料(代表作:Angew. Chem. Int. Ed. 48 (2009)6485;J. Am. Chem. Soc. 131(2009) 15984),通过设计预留空腔的电极结构,构筑了具有“双碳层”特殊结构的Sn@C填充的一维中空碳纳米线复合负极材料。该结构中每个Sn纳米粒子外均匀包覆的“第一层碳”,有效阻止了循环过程中Sn纳米粒子的团聚;一维中空碳纳米线作为“第二层碳”含有一定体积的空腔,使得嵌锂体积膨胀后的Li4.4Sn合金也可以被容纳在碳空心管中,从而消除了锂插入/脱出过程中产生的应力,极大地改善了电极材料的循环性能、减少了首次容量损失、提高了倍率性能。



(iii)构筑新型纳米多孔、纳米交联网络和纳米阵列等新型三维纳米结构集流体材料(代表作:Adv. Mater.,23(2011)2443; Adv. Energy Mater. 3(3) (2013)281);Adv. Mater. 22(2010) 2247;Nano Letters, 14 (5)2014,2597;Physical Chemistry Chemical Physics 15(48) (2013) 20813),通过我们的研究发现三维多孔集流体以及三维纳米阵列大大的缩短了Li+的扩散距离,缓解了体积膨胀;独特的三维多孔集流体设计有效的减小电子(e-)传输距离,为体积膨胀提供了缓冲的空间,并且有利于电解液浸润,使得电极材料的倍率性能得到大幅度的提高。


研究方向二:室温钠离子电池
室温钠离子电池与锂离子电池具有相似的储能机制,但钠的资源丰富,原料成本低廉,对于可再生能源的大规模储能和智能电网来说室温钠离子电池表现出极大潜力。然而由于Na+半径相比Li+大很多,Na+反复的嵌入/脱出极易导致多次循环后电极的结构塌陷,从而引起容量的衰减。因此,探索合适的室温钠离子电池的正、负极材料是急需解决的关键问题。
本课题组长期致力于探索并发展合适的室温钠离子电池的正、负极材料,在实现对电极材料的设计以及可控制备基础之上,深入研究电极反应的机理、界面反应过程、材料的结构、离子/电子传输过程(Nano Lett., 14 (4)2014,2175;Nanoscale 6(10) (2014)5081;Nanoscale 6(3), (2014)1384;Nanoscale 6(2) (2014)693)。通过构筑一维、核/壳结构的Na3V2(PO4)3,提高了材料的电导率,缓解了材料在充放电过程中的内部应力,使得Na3V2(PO4)3的循环性能和倍率性能均得到极大的提高(200C 放电容量仍然可以达到50mAh/g).



研究方向三:可控合成一维纳米材料
随着材料科学以及纳米技术的不断发展,一维纳米结构(纳米线、纳米管、纳米带、纳米棒等)由于具有新奇的纳米效应以及动力学优势,使一些颗粒状、块状的储锂材料在一维纳米化以后,展现出新的“魅力”,为提升锂(钠)离子电池储锂性能提供了新的途径。研究表明,一维多孔纳米结构作为锂(钠)离子电池电极材料应用时,具有以下优点:①高的长径比、大的比表面积,从而有利于电解液的浸润,促进锂离子的扩散。②一维纳米结构,尤其是纳米管、多孔纳米线等结构,为材料循环过程中的体积膨胀,提供了足够的“空间”,能有效缓解体积效应,从而提高电极的循环性能。③一维纳米结构的柔韧性较好,提高了电极的循环性能。一直以来,静电纺丝方法制备一维纳米材料被认为是在一维无机纳米材料形状和尺寸的控制合成中最简单、有效的方法之一。
本课题组发展了静电纺丝方法,可控的构筑了核(LiFePO4)/壳(C)结构的沿c方向生长的单晶纳米线,极大的提高了LiFePO4的电子导电率(Angew. Chem. Int. Ed. 50(2011)6278;J. Am. Chem. Soc., 133 (13)(2011)4661)),达到通过控制材料的晶体生长方向,缩短b方向Li+的扩散距离的目标。而且,原位形成的5nm的碳包覆层进一步提高了其导电率,提高电化学性能。可控制备的高质量的单晶纳米线为研究LiFePO4脱嵌锂机理提供极佳的样本。

除此以外,我们还可控的构筑了单层MoS2(二维;2D)嵌入碳纳米线(一维;1D)负极材料(Angew. Chem. Int. Ed., 126(2014)2184)用作锂/钠电池负极材料时均体现了优异的循环性能和倍率性能。这种结构具有以下以下的优势:①单层的MoS2缩短了横向传质和传核的距离,并且缓解了体积膨胀;②碳纳米线基体不但缓冲了循环过程中体积膨胀,缓解了电极材料内部的机械应力,而且提高了整个电极的电导率。我们制备的MoS2-Carbon复合材料,大大的提高其电化学性能,经过1000次循环以后,其可逆容量依然可以达到理论容量的90%(600mAh/g)以上。


研究方向四:锂硫电池
锂-硫电池是指采用单质硫(或含硫化合物)为正极,金属锂为负极,通过硫与锂之间的转换反应实现化学能和电能间相互转换的一类锂二次电池。无论作为正极材料的单质硫还是作为负极材料的金属锂,均具有很高的理论比容量(单质硫可达1675 mAh/g,金属锂可达3860 mAh/g),从而使整个电池的理论比能量高达2600 Wh/kg。然而,受限于硫及其放电产物硫化锂的绝缘特性,以及充放电过程中形成的一系列多硫化锂中间产物易溶于电解液缺点,锂-硫电池的硫正极利用率偏低,循环性能也较差,至今还没有被实际应用。
本课题组发展了柔性锂-硫电池,使用柔性的多孔碳材料作为基体,负载硫之后,限制单质硫以及多硫化锂的溶解,大幅度的提高了锂-硫电池的循环性能和倍率性能。
团队成员
李维汉、曾林超、钟雄武、刘孝武、江玉、危翔、王敏、潘福森、杨成龙、吴影

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发表于 2018-3-8 21:57:11 | 显示全部楼层

近日,同济大学杨金虎、中国科学技术大学余彦(共同通讯)等人利用Si取代的Zn2(GeO4)0.8(SiO4)0.2纳米线可以有效抑制体积膨胀效应,表现出高比容量和超长循环稳定性,这代表了突出的综合性能。优异的性能归因于赋予纳米线的Si原子取代不仅具有高反应性和可逆性,而且具有锂化时独特的应力释放性质,这通过详细的密度泛函理论计算进一步证实。 这项工作为设计用于实际能量存储应用的高性能硅基材料提供了新的指导方针。相关成果以题为“Stress-Relieved Nanowires by Silicon Substitution for High-Capacity and Stable Lithium Storage”发表在了Advanced Energy Materials上。

ZGSO纳米线的结构和组成表征

ZGSO纳米线的结构和组成表征

文献链接:Stress-Relieved Nanowires by Silicon Substitution for High-Capacity and Stable Lithium Storage(Adv. Energy Mater.,2018,DOI:10.1002/aenm.201702805)


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发表于 2018-4-16 21:35:04 | 显示全部楼层
近日,来自中国科学技术大学的余彦教授团队采用静电雾化沉积技术(ESD)合成了一种基于Nb2O5的自支撑三维多孔Nb2O5@Carbon复合材料,用作钠离子电池负极时,显著提升了Nb2O5的循环稳定性及倍率性能。

复合材料

复合材料

斜方晶相Nb2O5被认为是一种潜在的钠离子电池用负极材料,因为其可以可逆的嵌入大量钠离子同时结构稳定不易破坏。但是低电导率的固有缺陷导致较低的可逆容量和较差的循环稳定性。

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发表于 2018-8-2 09:55:13 | 显示全部楼层
Small Methods:高性能钠离子电池负极材料 – 硼氮共掺杂石墨烯负载的纳米级CoS2和CoSe2



作为锂离子电池在大型储能领域的理想替代品之一,钠离子电池近年来受到业界的广泛关注。但是钠离子电池的发展依然面临着能量密度低,循环性能差这两个主要挑战。为了推动钠离子电池的发展,发展一种高比容量,高倍率性能和长循环寿命的电极材料是当务之急。最近,国内外学者研究了不同反应机制的负极材料,包括合金反应类,插层反应类和转换反应类。其中,转化反应类负极材料不仅具有高的理论比容量和合适的电压平台,而且研究发现通过“job-sharing”机制,这类材料具有额外的储锂特性。过渡金属硫属化物特别是CoS2和CoSe2,已经广泛应用于电催化领域,研究发现,其在钠离子电池负极材料领域也有十分出色的应用前景。

高性能钠离子电池负极材料

高性能钠离子电池负极材料


近期,中国科学技术大学余彦教授课题组提出了一种制备硼氮共掺杂石墨烯负载的纳米级过渡金属硫属化物(CoSe2/BNG & CoS2/BNG)的通用方法,将其应用于钠离子电池负极材料,获得了优异的电化学性能。他们通过溶液法和一步热处理得到了硼氮共掺杂石墨烯负载的氧化钴量子点,然后将其与适量的硫粉或硒粉混合,通过真空封管热处理的方法得到相应的硫化钴和硒化钴负极材料。该工作研究了其作为钠离子电池负极材料的电化学性能及充放电机理。通过将CoS2和CoSe2与硼氮共掺杂石墨烯复合,分别得到CoS2/BNG和CoSe2/BNG。此设计巧妙地利用硼氮共掺杂石墨烯的高导电性和有利于钠离子存储的特性,在增强CoS2和CoSe2电子电导的同时有利于缓解其体积变化效应,最终实现了电化学性能的大幅度提升。制备的CoSe2/BNG和CoS2/BNG在10A g-1的大电流下依然分别提供226 mAh g-1 和 387 mAh g-1的高比容量。CoSe2/BNG在1 A g−1的电流密度下保持270 mAh g-1可逆容量稳定循环2000圈。该工作的发现为过渡金属硫属化物的制备提供了一种简便通用的方法,可以拓展应用于储能或催化领域。

相关工作发表于 Small Methods (DOI: 10.1002/smtd.201800170) 上。



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发表于 2018-9-25 08:58:02 | 显示全部楼层
中科大Small:双重多硫化物限制策略提高锂硫电池性能

锂硫电池由于有望满足日益增长的储能需求,因而成为人们重点关注的储能器件之一。制约锂硫电池大规模应用的挑战主要在于在保持高硫载量的同时抑制多硫化物的穿梭效应。中国科学技术大学的余彦教授等报道了一种新型的双重多硫化物限制策略用于提升锂硫电池的电化学性能。这种双重限制策略是将单质硫限制在聚多巴胺包覆的二维Mxene纳米片中然后再将其作为锂硫电池的正极材料(S@Mxene@PDA)。复合正极材料S@Mxene@PDA具有良好的电子电导率以及对多硫化锂的强烈化学键合和吸附作用。密度泛函理论的计算结果支撑了双重局限策略的有效性。S@Mxene@PDA作为正极材料展现出了高可逆容量、优异的倍率性能和极佳的循环稳定性等良好的电化学性能。该项工作为促进锂硫电池的实际应用提供了简单有效的方法。


双重多硫化物

双重多硫化物
YaoY, Feng W, et al. Boosting the Electrochemical Performance of Li–S Batteries with a Dual Polysulfides Confinement Strategy[J]. Small, 2018.
DOI: 10.1002/smll.201802516
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/smll.201802516?af=R

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发表于 2018-9-27 08:59:32 | 显示全部楼层
英国皇家化学学会(Royal Society of Chemistry)成立于1841年,是世界上历史最悠久的化学学术团体,国际上最有影响的学会之一,国际权威的学术机构。根据专家推荐,学会每年遴选英国及国际上在化学科学研究领域取得出色成就和为推动化学科学发展做出卓越贡献的科学家为其会士。
近日,中国科学技术大学余彦教授收到英国皇家化学会颁发的证书,当选为英国皇家化学会会士(Fellow of the Royal Society of Chemistry,FRSC)。

中国科学技术大学余彦

中国科学技术大学余彦
余彦教授,中组部青年千人,国家优秀青年基金获得者,主要研究方向为高性能锂离子电池、钠离子电池、锂硫电池等关键电极材料的设计、合成及储能机制。目前在Science, Nature Energy, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Nano Lett., Energy Environ. Sci., 等国际著名期刊上发表论文150余篇。曾获德国索菲亚奖,侯德榜化工科技青年奖,Wiley集团Small Young Innovator Award,中国硅酸盐学会青年科技奖。兼任RSC Adv副主编以及rare metals等期刊编委等学术职务。

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发表于 2019-3-15 09:27:42 | 显示全部楼层

中国科学技术大学余彦教授等人通过合理的电极设计,建立了高效的电子/离子混合导电网络,成功克服了相变过程带来的诸多问题。他们提出一种普适性的策略,通过热硫化金属甘油酯制备出了分级碳包覆金属硫化物(MS⊂C)。研究发现,通过该方法制备出的高度均一的碳包覆的硫化钒(V2S3⊂C), 在电流密度为100mA g−1的条件下,可逆钠存储容量达777 mA h g−1,且拥有优异的倍率性能(在4000 m A g−1条件下,为410 mA h g−1)和超高循环稳定性。

电极

电极

参考文献:Yan Yu  Laifa Shen  Yi Wang  feixiang Wu  Igor Moudrakovski Peter van Aken  Joachim Maier. Hierarchical Metal Sulfide/Carbon Spheres: Generalized Synthesis and Excellent Sodium Storage Performance. Angew. Chem. Int. Ed. 2019.

DOI: 10.1002/anie.201901840

下载链接: https://doi.org/10.1002/anie.201901840


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