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[专家学者] 武汉理工大学材料学院麦立强

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发表于 2017-4-4 10:25:38 | 显示全部楼层 |阅读模式
一、姓名:麦立强
二、基本情况:
1、出生年月:1975年12月        
2、学位:博士
3、职称:首席教授,博士生导师  
4、工作院系:武汉理工大学材料科学与工程学院、材料复合新技术国家重点实验室、武汉理工大学-哈佛大学纳米联合重点实验室
三、教育经历(从大学开始):
2008年—2011年,美国哈佛大学化学与化学生物系,高级研究学者,合作导师:美国科学院院士Charles M. Lieber教授
2006年—2007年,美国佐治亚理工学院纳米科学和技术中心,访问学者、博士后,合作导师:中科院外籍院士王中林教授
2001年—2004年,武汉理工大学,获工学博士学位,导师:陈文教授
1998年—2001年,桂林理工大学,工学硕士学位,导师:邹正光教授
1994年—1998年,太原理工大学,工学学士学位
四、工作经历:
2011年—至今,武汉理工大学,材料科学与工程学院,学科首席教授
2009年—至今,武汉理工大学,武汉理工大学-哈佛大学纳米联合重点实验室,执行主任
2007年—2011年,武汉理工大学,材料科学与工程学院,破格晋升教授,博士生导师
2004年—2007年,武汉理工大学,材料科学与工程学院,特聘副教授
五、研究领域(不多于3个):
纳米能源材料与器件
纳电子生物界面与器件
六、科研项目(不多于5项):
主持承担国家重大基础研究计划课题、国家杰出青年基金(已公示)、国家自然科学基金、国家国际科技合作专项国家、教育部新世纪优秀人才计划等20余项。
1.国家自然科学基金面上项目(51272197):“锂空气电池钙钛矿型镧锶钴氧分级介孔纳米线电催化性能与机理”, 2013.01-2016.12,负责人,正在进行
2.国家重大科学研究计划课题(2013CB934103):“面向能源高效利用的功能介孔材料设计和调控”, 2013.01-2017.12,负责人,正在进行
3.国家国际科技合作专项(2013DFA50840):“高性能纳米线钒系锂离子动力电池联合研发”, 2013.01-2015.12,负责人,正在进行
4.国家重大科学研究计划课题(2012CB933003):“透射电镜中的扫描探针技术与应用研究”,2012.1-2016.12,学术骨干,正在进行
5.国家自然科学基金(51072153):“钒氧化物/聚噻吩超长同轴纳米电缆的阵列构筑及脱嵌锂性能”,2011.01-2013.12,负责人,已完成
七、代表性论文及著作(不多于10项*为通讯联系人):
已发表SCI收录论文90余篇,其中包括Nature Nanotechnol.1篇,Nature Commun.3篇,Chem. Rev. 1篇,Adv. Mater. 4篇,Nano Lett. 12篇,PNAS 2篇、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Energy Mater.各1篇。多篇论文被选为期刊封面、Frontispiece,或被Science、Nature Nanotech.、NPG Asia Mater.、Nanowerk等期刊和专业网站引用或亮点报道。论文被他引1200余次,5篇论文入选ISI Web of Science 的ESI 近十年高引用论文。受Wiley-VCH和Nova出版社邀请撰写英文专著及专著章节;受Chem. Rev.、Mater. Today和IEEE T. Nanotechnol.等邀请撰写综述论文。获国家发明专利18项。在美国MRS Meeting等国际学术会议做邀请报告20余次,被MRS 2013 Fall Meeting邀请组织了能源材料表征分会并担任分会主席。代表性论文如下:
1.Yunlong Zhao, Jiangang Feng, Xue Liu, Fengchao Wang, Lifen Wang, Changwei Shi, Lei Huang,      Xi Feng, Xiyuan Chen, Lin Xu, Mengyu Yan, Qingjie Zhang, Xuedong Bai, Hengan Wu* and Liqiang Mai*. Self-adaptive strain-relaxation optimization for high-energy lithium storage material through crumpling of grapheme. Nat. Commun. 2014, 5, 4565.(被Nanowerk做专题报道)
2.Liqiang Mai*, Aamir Minhas Khan, Xiaocong Tian, Kalele Mulonda Hercule, Yunlong Zhao, Xu Lin, Xu Xu. Synergistic interaction between redox active electrolyte and binder-free functionalized carbon for ultrahigh performance of supercapacitor. Nat. Commun. , 2013, 4, 2923
3.Liqiang Mai*, Fan Yang, Yunlong Zhao, Xu Xu, Li Xu and Yanzhu Luo.Hierarchical MnMoO4/CoMoO4 heterostructured nanowires with enhanced supercapacitor performance. Nat. Commun. 2011, 2, 381(被选为特色论文,当月下载阅读量第三)
4.Liqiang Mai*, Xiaocong Tian, Xu Xu, Liang Chang, and Lin Xu. Nanowire Eelectrodes for electrochemical energy storage devices. Chem. Rev. (Accepted)
5.Liqiang Mai*, Qiulong Wei , Qinyou An, Xiaocong Tian , Yunlong Zhao, Xu Xu, Lin Xu, Liang Chang, Qingjie Zhang. Nanoscroll buffered hybrid nanostructural VO2 (B) cathodes for high-rate and long-life lithium storage, Adv. Mater., 2013, 25, 2969-2973(选为Frontispiece论文)
6.Liqiang Mai, Bin Hu, Wen Chen*, Yanyuan Qi, Changshi Lao, Rusen Yang, ying Dai and Zhonglin Wang*. Lithiated MoO3 nanobelts with greatly improved performance for lithium battery. Adv. Mater. 2007, 19(21), 3712-3716
7.Mengyu Yan, Fengchao Wang, Chunhua Han*, Xinyu Ma, Xu Xu, Qinyou An, Lin Xu, Chaojiang Niu, Yunlong Zhao, Xiaocong Tian, Ping Hu, Hengan Wu*, and Liqiang Mai*. Nanowire templated semi-hollow bicontinuous graphene scrolls: designed construction, mechanism and enhanced energy storage performances. J. Am. Chem. Soc., 2013, 135 (48), 18176-18182
8.Yunlong Zhao, Lin Xu, Liqiang Mai*, Chunhua Han, Qinyou An, Xu Xu, Xue Liu, Qingjie Zhang. Hierarchical mesoporous perovskite La0.5Sr0.5CoO2.9 nanowires with ultrahigh capacity for Li-air batteries. PNAS,2012,109(48), 19569-19574
9.Liqiang Mai*, Lin Xu, Chunhua Han, Xu Xu, Yanzhu Luo, Shiyong Zhao and Yunlong Zhao. Electrospun ultralong hierarchical vanadium oxide nanowires with high performance for lithium ion batteries. Nano Lett., 2010, 10(11), 4750-4755
10. Quan Qing, Zhe Jiang, Lin Xu, Ruixuan Gao, Liqiang Mai and Charles M. Lieber*. Free-standing kinked nanowire transistor probes for targeted intracellular recording in three dimensions. Nature Nanotechnol. 2014, 9, 142-147
八、联系方式:
1、Tel:+86-13554628578
2、E-mail:mlq518@whut.edu.cn; mlq518@gmail.com; mlq@cmliris.harvard.edu
3、工作地址(实验室):武汉市洪山区珞狮路122号武汉理工大学-哈佛大学纳米联合重点实验室(武汉理工大学西院33号楼)

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发表于 2018-3-11 17:26:54 | 显示全部楼层
最近,美国威斯康星大学麦迪逊分校的金松(Song Jin)教授和武汉理工大学的麦立强教授等人合作,在低温三元混合熔融盐中电解制备硅纳米线方面取得了重要的进展。该工作通过类似Hall–Héroult工业炼铝的方法,创新性地在低温下电解硅,不仅大幅度降低了电解的温度,同时保证了电解的产率。该过程使用CaCl2-MgCl2-NaCl三元混合熔融盐,并通过两电极法在恒压下进行电解。

在该工作中,作者对熔融盐体系进行了细致而系统的探索。研究发现,在熔融盐中加入适量的CaO可以增加熔融盐中O2-的含量,从而促进反应的发生,提高电解硅的产量;同时进一步控制熔融盐的种类、比例、温度及电压,利用硅酸钙在混合熔融盐中溶解度与温度的关系,成功将电解温度从850 ℃降低至650 ℃,在低温下电解制备了硅纳米线。

通过对不同电压下的电解进行研究,作者发现当使用恒压在1.6 V下持续电解时,硅纳米线的产量最为稳定可观。电解制备的硅纳米线作为高容量锂离子电池负极材料表现出优异的循环性能。此外,作者模拟废弃玻璃的回收实验,证明回收的废弃玻璃可以作为电解制备硅的材料来源。这对于大规模的低成本、高效、可持续制备高质量的硅纳米线具有创新性的突破,有望实现产业化的应用。该工作的思路也可用于利用熔融盐体系制备其他常规方法难以制备的材料。

硅纳米线

硅纳米线

硅纳米线的表征
相关成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition上,通讯作者是美国威斯康星大学麦迪逊分校的金松教授与武汉理工大学的麦立强教授。

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发表于 2018-3-21 09:28:33 | 显示全部楼层

由于金属镁具有较高的容量(2205 mAh·g-1和3833 mAh·cm-3)、较低的还原电位(-2.37 V vs. SHE)、储量丰富以及无枝晶等良好特性,镁电池吸引了许多研究人员的关注。然而,Mg2+离子较高的电荷/半径定量使得离子和主体之间的相互作用较强,这对正极材料要求较高。因此,探索适宜的正极材料对于镁电池的发展仍然是一个巨大的挑战。

近日,武汉理工大学麦立强教授、安琴友副研究员(共同通讯作者)等通过调节电极-电解液界面实现了CuS正极室温下的高储镁活性(超过300 mAh·g-1),并在Nano Energy上发表了题为“Magnesium Storage Performance and Mechanism of CuS Cathode”的研究论文。在镁全电池中,以50 mA·g-1的电流密度循环30次后,CuS正极容量仍高达119 mAh·g-1。另外,作者探究了CuS正极在不同电解液体系、不同工作温度的储镁性能,并通过非原位XRD等表征手段证实了转换型存储机理。这项工作证明CuS作为镁电池正极材料的前景良好。

CuS的结构表征

CuS的结构表征


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发表于 2018-4-4 08:48:37 | 显示全部楼层

Adv. Mater.:多维度协同纳米结构实现高度稳定的钠离子存储


《先进材料》(Advanced Materials)在线发表了武汉理工大学麦立强教授课题组和中科院物理所白雪冬教授课题组关于超长寿命钠离子电池负极材料的联合工作,该论文题为“Multidimensional Synergistic Nanoarchitecture Exhibiting Highly Stable and Ultrafast Sodium-Ion Storage”,(DOI: 10.1002/adma.201707122)。论文第一作者为武汉理工大学博士研究生谭双双,论文共同通讯作者为:魏湫龙博士,白雪冬教授和麦立强教授。

背景介绍:

  钠离子电池由于钠资源丰富,价格低廉等优势已经成为智能电网、大规模储能等领域中最具潜力的储能元件之一。近年来,Li4Ti5O12,Na4Ti5O12, Na0.66[Li0.22Ti0.78]O2等嵌入性负极材料被大量研究。但是由于有限的嵌入位点与电化学还原中心,它们的放电比容量最高也只能被提升到300mAh/g。因此,进一步开发具有高容量的转化反应型钠离子电池负极显得尤为重要。但是这类材料在反应过程会发生较为严重的结构破坏,导致循环寿命下降。同时,其本征的低离子/电子扩散系数限制了快速的充放电能力。这两个难题使得转化反应型材料难以应用于大规模储能设备。

三种电极结构在电化学反应过程中的结构变化图

三种电极结构在电化学反应过程中的结构变化图

研究内容:

为了解决以上问题,该文设计合成了一种由超细的V2O3纳米颗粒嵌入在一维碳纳米管中(V2O3⊂C-NTs),进一步组装到三维的还原氧化石墨烯框架中的多维度协同纳米结构(V2O3⊂C-NTs⊂rGO)。这种多维度组装的纳米结构相对于零维/二维以及零维/一维纳米复合结构表现了独特的优势。一维碳纳米管可以有效地限制活性纳米颗粒的自团聚与体积膨胀,同时三维石墨烯框架可以缓冲一维碳纳米管的膨胀应力,致使一维碳纳米管可以稳定地发挥其限域效应,并且缓解了表面SEI膜的破裂。另一方面,三维的石墨烯框架和一维碳纳米管提供了优异的电子传输能力,超细的零维纳米单元具有大大缩短的离子传输距离,这些结构特性保证了电子/离子的快速转移。受益于这种各维度单元间的协同效应,多维度组装纳米结构展现出了超长的循环寿命以及优异的倍率性能(1A/g电流密度下循环1000次,容量依然保持在250 mAh/g,5 A/g电流密度下循环15000次后容量保持率为72.3%,20A/g电流密度下可输出165 mAh/g的放电比容量)。


文献链接: Shuangshuang Tan, Yalong Jiang, Qiulong Wei*, Qianming Huang, YuhangDai, Fangyu Xiong, Qidong Li, Qinyou An, Xu Xu, Zizhong Zhu, Xuedong Bai*, Liqiang Mai*, Multidimensional Synergistic Nanoarchitecture Exhibiting Highly Stable and Ultrafast Sodium-Ion Storage, Advanced Materials, 2018, DOI: 10.1002/adma.201707122.


麦立强教授团队简介
麦立强教授课题组主要开展新型纳米储能材料与器件领域的前沿探索性研究,包括新能源材料、微纳器件、面向能源的生物纳电子界面等前沿方向。率先将纳米器件应用于电化学储能研究,重点开展了纳米电极材料可控生长、性能调控、器件组装、原位表征、电输运与储能等系统性的基础研究,取得了一系列国际认可的创新性成果。课题组近年来主持/承担了国家重点基础研究发展计划、国家国际科技合作专项、国家杰出青年基金、教育部“长江学者特聘教授”、创新团队发展计划、国家青年千人计划、国家自然科学基金、教育部新世纪优秀人才计划等20余项。目前,实验室在Nature Nanotechnology, Nature Communications, PNAS, Advanced Materials, Energy & Environmental Science, Nano Letters,等国际著名期刊发表学术论文200余篇,其中影响因子大于10的60余篇,21篇论文入选ESI 近十年高被引论文,3篇入选ESI全球TOP 0.1%热点论文;取得授权国家发明专利50余项。获中国青年科技奖、光华工程科技奖(青年奖)、湖北省自然科学一等奖、侯德榜化工科学技术奖(青年奖)、Nanoscience Research Leader奖、入选“百千万人才工程计划”、国家“万人计划”领军人才,并被授予“有突出贡献中青年专家”荣誉称号;指导学生获得 “中国青少年科技创新奖”(3届),全国大学生“挑战杯”特等奖(1届)、一等奖(1届)、二等奖(4届),中国大学生自强之星标兵(1届)和2014年大学生“小平科技创新团队” 等湖北省自然科学一等奖一项。
麦立强教授课题组链接:http://mai.group.whut.edu.cn




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发表于 2018-4-26 08:24:02 | 显示全部楼层

武汉理工大学麦立强教授 “管中棒状”氮掺杂空心碳管包覆锑复合材料的精准制备及其高效的储锂/储钠性能

随着便携电子设备、电动汽车和智能电网日新月异的发展,人们对高性能储能体系的需求日益增加,开发高理论容量的新型电极材料十分重要。在众多的负极材料中,合金化负极材料由于其高的理论容量和安全性,引起了广大研究者的兴趣。其中,金属锑(Sb)因具备高的理论容量(660 mAh/g)以及合适的工作电压(0.8-0.9 V vs. Li + /Li)成为锂离子电池及钠离子电池负极材料的研究热点之一。然而由于Sb导电性相对较低,以及在充放电循环中巨大的体积膨胀效应而导致的电极材料结构破坏,从而引发容量快速衰减等问题,严重限制了其实际应用。因此,需要设计有效的策略来优化Sb负极材料的电化学储锂/储钠性能。

“管中棒状”氮掺杂空心碳管包覆锑复合材料

 “管中棒状”氮掺杂空心碳管包覆锑复合材料

近日,武汉理工大学麦立强教授和法国洛林大学Jean-Jacques Gaumet教授课题组在国际知名期刊Advanced Energy Materials(影响因子:16.721)上在线发表题为 “Bottom-Up Confined Synthesis of Nanorod-in-Nanotube Structured Sb@N-C for Durable Lithium and Sodium Storage”的文章。通过自下而上的合成方法制备了一种新型“管中棒状”氮掺杂空心碳管包覆锑复合材料(Sb@N-C),同时采用了原位高温XRD技术实时监控并精准优化其合成。基于丰富的氮掺杂、一维纳米导电碳管以及中空结构等协同效应,将Sb@N-C用作锂离子电池/钠离子电池的负极材料时,展现出优异的电化学性能。


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发表于 2018-5-3 07:57:41 | 显示全部楼层

Acc. Chem. Res.:一维异质纳米电池材料

可充电的二次电池能够多次可逆地转化和储存电能,是目前应用于电动汽车和便携式电子设备中的主要供电装置。对于该类储能装置而言,提升其能量密度、功率密度、循环寿命和安全性是研究者们的终极目标。为了达到这些目的,许多研究者将二次电池中的电极材料制备成各种纳米结构,并取得了显著的效果。在诸多纳米材料中,一维纳米材料由于其高的长径比,拥有许多独特的优异性质,如易于构成三维交联网络来缓冲形变、易于构筑各类微纳器件、拥有更有利的内应力分布等等。然而,单一成分的电极材料难以兼顾离子/电子的高效传输以及在电化学环境中保持稳定。因此,设计开发功能型的一维异质纳米电池材料可以得到更优的电化学性能。

近日,Accounts of Chemical Research在线发表武汉理工大学麦立强教授团队综述 “One-Dimensional Hetero-Nanostructures for Rechargeable Batteries”。该文系统地总结了麦立强教授课题组关于一维异质结构纳米线电极材料的工作,并结合当前的研究进展,阐述了该类材料的制备策略和性能优化机制(如下图),并对其今后的发展方向和策略提出了见解和展望。

一维异质纳米电池材料

一维异质纳米电池材料

在本篇综述中,作者归纳了异质结构纳米线的合成策略,主要分为成核生长、沉积和熔融-成型三类,并详细阐述了各类策略的化学原理,讨论了他们的优势和劣势及适用范围。1)成核生长法的化学条件较为容易达到,一般为高温高压的溶液环境,对于能自发沿一维方向生长的部分过渡金属元素非常适合。2)沉积法适用于构造多种功能型的表面层状结构,需要先获取能在沉积的化学环境下稳定存在的一维纳米结构基底。3)熔融-成型法也是一种合成一维异质结构的有效手段,先将材料熔融成流体,再通过模板铸造成一维结构并凝固,以物理过程主导,也能伴有化学反应发生,可以用于难以通过化学手段合成的材料。

文献链接:Liqiang Mai,* Jinzhi Sheng, Lin Xu, Shuangshuang Tan, and Jiashen Meng, One-Dimensional Hetero-Nanostructures for Rechargeable Batteries, Acc. Chem. Res., 2018, 51, 950−959.

麦立强教授课题组网站:http://mai.group.whut.edu.cn/   


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武汉理工麦立强Nano energy:等离子刻蚀三氧化钼制造氧缺陷实现储锂结构稳定及可逆容量提升

每年不可再生能源消耗的增加,给资源与环境带来了巨大的压力。因此科学家们一直致力于开发新能源,包括太阳能,潮汐能,风能等。然而,这些能源在功率输出方面往往较低且不稳定,从而造成这些能源不能被直接利用。利用电化学能量存储技术来存储这些能量被认为是很好的解决手段。在典型的能量存储系统中,锂离子电池(LIBs)因其相对较大的比容量和较高的工作电压而脱颖而出,从而被广泛应用于人们的生产生活中。然而,现今商业化的LIBs比容量有限,并且在过去的几十年里,增长缓慢。为了解决这个问题,很多科学家一直致力于研发具有高容量的正极材料。α-MoO3正是这些具有高比容量的正极材料之一,这在过去几年中得到了深入的研究。然而,由于在〜2.8V发生不可逆的相变,α-MoO3的容量迅速下降。另外,低电子传导率和慢反应动力学也限制了这种材料的应用。早在2007年,武汉理工大学麦立强教授提出预锂化的办法,提升三氧化钼的结构稳定性。近期有文献表明氧空位能提高部分材料的电化学性能。

三氧化钼

三氧化钼

近日,武汉理工大学麦立强课题组 在α-MoO3纳米带的基础上,通过可控等离子体刻蚀制备了具有氧空位的α-MoO3-x,并将其用作LIB的正极材料。 结构表征证实经适当刻蚀(MoO3(II),氢气等离子刻蚀10分钟)后,所制备样品的范德华间隙(vdW间隙)扩大并且带隙减小,过度的刻蚀会导致材料碎裂严重且形貌破坏。电化学测试结果表明,MoO3(II)样品具有小的极化,较好的结构稳定性,更可逆的层间/层内Li存储位点以及更高的容量。综上所述,适当氧空位的引入明显减小了三氧化钼的带隙、增加了其范德华层间距,提高了材料的电子及离子电导率,因此提高了材料的容量(可逆性),倍率性能和循环稳定性。麦立强教授为本文通讯作者,文章共同第一作者为张国彬和熊腾飞。该文章“α-MoO3-x by Plasma Etching with Improved Capacity and Stabilized Structure for Lithium Storage”发表在国际顶级期刊Nano Energy上(影响因子:12.343)。




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武汉理工大学麦立强&徐林Chem综述:纳米线–生物界面进展:从能量转换到电生理学



纳米–生物界面(nano–bio interface)可以看作是连接无机世界和生命世界的桥梁,研究无机纳米材料与生物体在微纳尺度的能量转换与信息传递,在人工光合作用、微生物燃料电池、纳米生物电子学等领域具有广泛的应用。最近,武汉理工大学的麦立强教授(通讯作者)团队在Cell子刊Chem应邀发表了题为“Recent Advances in Nanowire–Biosystem Interface: From Chemical Conversion, Energy Production to Electrophysiology”的综述文章。武汉理工大学徐林教授和美国哈佛大学博士后赵云龙为论文共同第一作者。该综述主要从纳米线–生物界面的构筑、纳米–细菌人工光合作用将CO2转化成化学能源、微生物燃料电池、纳米线生物传感器等几个方面讨论了纳米–生物界面的设计原理与应用,最后作出了对纳米–生物界面未来发展的展望。

纳米线–生物界面

纳米线–生物界面

本文主要综述了纳米线–生物界面的设计构筑以及在人工光合作用、微生物燃料电池、纳米生物电子学等三个领域的应用及优势。针对纳米线–生物界面目前存在的问题和挑战,我们可以从以下几个方面考虑进一步优化:(1)人工光合作用纳米生物复合系统目前的瓶颈在于单位体积的生产力及生产速率,为了解决这一难题,可以通过优化纳米–生物界面来增大纳米–生物界面的有效接触面积。(2)微生物燃料电池是一种很有前景的绿色能源,但目前能量密度和功率密度还比较低。设计构筑具有高电导率的纳米线网络、进一步增强细菌和纳米线电极之间的接触有利于提高电子在纳米–生物界面的传输效率。(3)纳米线场效应晶体管能成功实现高时空分辨率的生物信号的检测,将纳米器件加工的“自下而上”和“自上而下”的优势结合起来,组装大面积的纳米线场效应晶体管阵列生物传感器,将会对复杂生物信号的高灵敏度、高分辨率探测具有重要意义。

文献信息:Lin Xu, Yunlong Zhao, Kwadwo Asare Owusu, Zechao Zhuang, Qin Liu, Zhaoyang Wang, Zhaohuai Li, Liqiang Mai*, Recent Advances in Nanowire–Biosystem Interface: From Chemical Conversion, Energy Production to Electrophysiology, Chem, 2018, DOI: 10.1016/j.chempr.2018.04.004.

文献连接:https://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(18)30172-4



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 5月26-27日,“创青春”2018年湖北省大学生创业大赛终审决赛和闭幕式在校举行。我院报送的参赛作品《超级纸电极及其电池产业化商业计划书》(指导老师:麦立强、郜庆路,团队成员:王选朋等)获得创业计划竞赛金奖。
 王选朋小组创立的武汉纳米客星科技有限公司,其核心产品是自主研发的一种新型超薄、超高性能、柔性的离子嵌入型化合物(简称NMO)系列超级“纸电极”,厚度仅为0.05mm。该种电极采用了在金属镍为骨架上“生长”出的新型的纳米材料,在制备上创新地采用双连续传导等技术,使得公司电池产品在高续航、轻量化、柔性以及环境友好性等方面均达到了国际领先水平。在便携电子产品、可穿戴设备等电池应用领域具有极强的竞争优势,具备可观的市场前景和较高的预期收益。公司现阶段主要通过向正极材料生产商提供电极材料改性服务获利。
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发表于 2018-8-3 09:19:43 | 显示全部楼层
核心内容:
1. 提出了固态电池界面问题存在的挑战,并进一步强调了固态电池中界面的五个不同方面。
2. 总结了目前先进的界面表征技术,并重点列举了“和频振动光谱表征”和“单根纳米线电池表征”。
3. 总结了固-固界面相关的科学问题,并提出了展望。

作为当今信息世界动力设备的关键,可充电锂电池被认为是更清洁,更可持续的分布式能源供应的必备设备。考虑到安全性和性能以及满足21世纪电力需求的紧迫挑战,发展固态锂离子电池已迫在眉睫。制备性能良好的全固态锂电池的关键在于获得高室温离子导电率的固体电解质以及在电极与电解质之间形成良好的接触面。

大量的研究集中在制备高室温导电率的固体电解质,目前已经制备出能与液体电解质相媲美的高室温导电率的固体电解质,但固态锂电池的高倍率性能仍然较差,原因是在电极与固体电解质的界面处具有较高的阻抗。固体电解质存在与电极间界面阻抗大,界面相容性较差,同时充放电过程中各材料的体积膨胀和收缩,导致界面容易分离等问题。

有鉴于此,武汉理工大学麦立强教授徐林教授、华中科技大学曹元成教授以及江汉大学汤舜合作,总结了固态电池发展的主要难题之一─界面问题。

            

固态电池中不同界面示意图

 固态电池中不同界面示意图

固-固界面的挑战

对于液体电解质系统,润湿使得液体电解质能够完全渗透到电极中,从而同时促进Li+ 对电极中所有活性材料的嵌入/转化/合金化反应。电解质中的载流子浓度随着固体电解质中间相(SEI)形成期间Li+ 的消耗而降低,进一步增加了离子转移的阻力,因此阻碍了快速充放电的能力。

简而言之,固态电池与液体电池相比有四个主要挑战。首先,大多数固态电解质的离子电导率低于液体电解质的离子电导率。虽然一些硫化物电解质可以实现高离子电导率,但必须解决界面处的许多不稳定性问题。其次,与液体电解质相比,固体电解质和电极之间的界面相容性通常较差,并且在固态电池中的应用需要显著改善。

第三,锂枝晶穿透电解质在固态电池中仍然具有挑战性,即使对于具有高机械强度的陶瓷电解质也是如此。第四,尽管研究工作正在逐步阐明固体电解质和电极之间界面膜(SEI)的形成,但我们仍然没有完全了解SEI在循环过程中的微观结构,动态行为和化学反应。因此,在工作环境中提供有关电池的现场和实时信息的先进表征技术对于固态电池的进一步开发至关重要。

固态电池中的界面
1. 界面膜的形成

界面反应提供了关于界面产物(界面间)的关键信息及其对固态电池稳定性和电子性能的各种影响。使用图二中所示的能带图可以预测电解质的化学稳定性。液体和固体电解质的“窗口”可以通过最低未占分子轨道(LUMO)或导带(CB)和电解质材料的最高占据分子轨道(HOMO)或价带(VB)来确定,当电极材料的化学势(阳极的μa和阴极的μc)在LUMO-HOMO范围内时,它是热力学稳定的。

换句话说,如果μa>LUMO(或C.B.)或μc<HOMO(或V.B.),则界面不稳定,除非SEI在界面处形成为钝化层。SEI的形成已在液态电解质电池中得到广泛研究,经过仔细比较,该概念能扩展到固态电池系统。

2. 正极/无机电解质界面

与金属阳极不同,阴极材料由活性材料颗粒组成,它们与适量的固体电解质(离子导体),碳(电子导体)或粘合剂混合以增强离子和电子传输。在液体电解质电池中,液体电解质润湿阴极颗粒之间的间隙,以及电极和电解质之间的间隙;而固态电池中的固-固界面会发生物理接触,几种界面阻抗可以同时共存。其中,一种类型的阻抗是接触电阻,这是由于在循环期间界面接触不良或接触被破坏导致的,更好的接触将降低界面阻抗。


还有另一种类型的电阻是由纳米离子效应产生,纳米离子效应是在具有不同离子化学势的两个离子导体之间的界面处产生的空间电荷层。抑制纳米离子效应的一种可能方法是用薄氧化物缓冲层屏蔽硫化物,防止与阴极直接接触(图4b和4d)。在设计电极材料的成分和结构时,应仔细考虑电解质和电极之间的相容性。


3. 负极/无机电解质界面

负极主要针对金属锂,充放电循环中产生的锂枝晶成为重点研究对象。崔屹教授课题组研究了过电位对纳米级锂成核和生长的影响,结果表明,当通过高电流密度增加过电位时,尺寸小、致密且均匀的锂核可以生长。这项关于锂成核和生长的基础研究可以合理地指导锂金属负极微/纳米结构的设计和充放电条件的优化。


另外,研究表明,锂枝晶的生长取决于无机电解质缺陷尺寸和密度,而不是剪切模量和表面粗糙度的影响。缺陷/裂缝、晶界或微/纳米级孔隙通常会导致锂枝晶生长和裂纹扩展。


4. 聚合物电解质/锂金属界面

尽管目前的聚合物电解质在离子电导率方面不能与陶瓷或玻璃电解质竞争,但是在柔性电池和电子器件的开发中仍然非常需要聚合物电解质的多功能性。使用液体电解质的优点是使液体电解质-电极接触面积最大和电阻最小。这些理想的属性可以通过聚合物电解质继承,聚合物电解质还具有良好的粘性和延展性。


除了低导电性之外,聚合物电解质的另一个问题是锂枝晶形成。锂金属和聚合物之间的附着力以及聚合物的剪切模量(~GPa)对于确保有效的离子传导和长循环寿命是必要的。多年来,利用聚合物电解质的主要挑战之一是在不牺牲离子传导性的情况下提高机械性能。通过各种方法可以提高机械强度,包括增加分子量、添加取代基、交联和共聚。同时,通过添加和优化盐组分也可以增强离子电导率。


5. 粒子间的界面

通常,如果活性材料不具有高离子和电子电导率,则在固态电池的电极制造过程中必须添加离子/电子导电颗粒并与活性材料颗粒混合。因此,复合电极中的颗粒间界面也很重要。该界面包括活性材料之间的界面,以及活性材料颗粒和离子/电子导电颗粒之间的接触。

充放电期间正极颗粒的体积变化将导致复合电极中的接触失效。同时,太多电解质颗粒的存在阻碍了电子传输路径。另一方面,太多的活性正极颗粒将限制离子传输。因此,合理的微/纳米结构设计,例如采用分级构筑的离子和电子传导网络可以促进离子和电子的高效传输。

界面表征技术
1. 显微观察

与传统的液体电解质电池的微观研究不同,固态电池中的界面难以分离出来用于显微镜表征。正极-电解质界面或负极-电解质界面的截面图像更能提供令人信服的结果,但需要借助先进高级的手段才能获得清晰的界面图像。截面SEM、TEM、EDX、EELS等先进技术为固态电池界面研究提供了良好的帮助。


2. 化学成分分析

XRD长期以来被用作分析物相的标准方法,但由于XRD无法准确表征无定形相的结构,能表征化学键的XPS成为了另一种界面成分表征手段。先进的原位XPS检测技术能够检测到锂金属和无机电解质材料之间的稳定性及反应产物。NMR测试使界面处锂离子传输检测成为可能。


3. 电化学表征

循环伏安(CV)和电化学阻抗谱(EIS)两种基本的电化学检测方法能够直观地反映组装好的固态电池性能情况。通过结合使用EIS和直流极化,能成功地区分材料的电子电导率和离子电导率。通过对电压降的观测,也可以得到相应的界面信息。


4. 其他先进技术

在此,作者介绍了两种独特的表征技术:(1)和频振动光谱;(2)基于芯片的单根纳米线电池表征,旨在为固态电池界面表征提供全新的检测方法。


和频振动光谱(VSFG)已被证明是一种独特而有效的分子界面化学表征技术。具有界面特异性、高灵敏度、无真空要求等优点,实时和原位检测使VSFG能够在许多领域中实现无损表征。VSFG已应用于各种材料和界面表征,如聚合物、电极、生物膜、DNA和蛋白质,也被用于阐明锂离子电池中的SEI形成机制。


麦立强教授、徐林教授及合作者设计并组装了基于芯片的单根纳米线电池。在单根纳米线上制造了多种金属微电极,使人们能够记录单个纳米线不同部分的电导变化,从而揭示沿着纳米线的离子/电子传输特性。


研究发现包覆在单根纳米线上的多孔石墨烯不仅可以改善电子传导性,还可以在界面处保持有效的离子传输。这种改进的单根纳米线电池设计有望与新开发的微/纳米级固态电解质图案结合,以制造更先进的基于芯片的微/纳米级固态电池,以实现全面的原位表征。

总结与展望
1. 总结

在本综述中,作者提出了固态电池中的固-固界面研究面临的挑战,讨论了不同类型的固-固界面,并回顾了一系列先进表征技术。

虽然理论研究可以提供对固-固界面问题的更深入理解,但必须开发先进的表征技术以通过实验确定所需的证据。基本表征技术包括显微表征、化学成分分析和电化学表征。根据目前固态电池界面的研究进展,作者对这一研究方向提出了展望。

尽管各种先进的表征技术已成功确定了与界面相关的重要机制,但大多数都是非现场表征,不能提供足够的实时信息。因此,应利用原位/工作条件下的表征来获得对界面的组成和结构的基本理解。

2. 展望
(1)原位研究的挑战是固-固界面被嵌入固态电池中,使得难以将它们分离。因此,一方面,应考虑在微/纳米级别上暴露界面的电池模型的合理设计,以用于实验室中的高分辨率表征。另一方面,无损表征技术,如X射线计算机断层扫描(CT),非常有希望用于大规模电池模组的在线监测和分析。
(2)除了金属离子电池以外,具有更高能量密度的金属-空气和金属-硫电池也是极有潜力的固态电池。
(3)固态电池与液体电解质电池相比的一个重要优势是固态电池更有利于向微型化以及柔性发展。因此,微型固态电池与微电子电路集成有巨大的潜力。
作者简介

徐林,武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室特聘教授,入选湖北省“青年百人”计划。2013年,获得武汉理工大学材料物理与化学博士学位(师从麦立强教授、张清杰院士和Charles M. Lieber院士),2011-2013年在美国哈佛大学作为联合培养博士。博士毕业以后,先后在美国哈佛大学(2013-2016年)和新加坡南洋理工大学(2016-2017年)从事博士后研究。

主要从事纳米能源材料和纳米生物传感器研究,在Nature Nanotech., Nature Commun.,Chem, Joule, PNAS, Chem. Rev., Acc. Chem. Res., Adv. Mater.,Nano Lett.等国际知名期刊发表学术论文40余篇,论文被引用3500余次,7篇论文入选ESI 高被引论文。在分级纳米结构电化学储能材料方面的研究成果作为重要组成部分获得2014年湖北省自然科学一等奖。

曹元成,华中科技大学电气与电子工程学院强电磁工程与新技术国家重点实验室研究员,湖北省“百人计划”、武汉市“黄鹤英才”。研究领域为面向电网安全型储能电池及固态电池关键材料与器件。

麦立强,武汉理工大学材料学科首席教授,武汉理工大学材料科学与工程国际化示范学院国际事务院长,教育部“长江学者特聘教授”,国家杰出青年基金获得者,国家“万人计划”领军人才,国家重点研发计划“纳米科技”重点专项总体专家组成员。

先后在中国科学院外籍院士美国佐治亚理工学院王中林教授课题组、美国科学院院士哈佛大学Charles M. Lieber教授课题组、美国加州大学伯克利分校杨培东教授课题组从事博士后、高级研究学者研究。长期从事纳米能源材料与器件研究,发表SCI论文280余篇。主持国家重大基础研究计划课题、国家国际科技合作专项、国家自然科学基金等30余项科研项目。

获中国青年科技奖、光华工程科技奖(青年奖)、湖北省自然科学一等奖、侯德榜化工科学技术奖(青年奖)、Nanoscience Research Leader奖,入选国家“百千万人才工程计划”、科技部中青年科技创新领军人才计划,教育部新世纪优秀人才计划,并被授予“有突出贡献中青年专家”荣誉称号,享受国务院政府特殊津贴。现任Adv. Mater.客座编辑,JouleAdv. Electron. Mater.国际编委,Nano Res.编委。

参考文献:
Xu L, Tang S, Cheng Y, et al. Interfaces in Solid-StateLithium Batteries[J].  Joule, 2018.

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发表于 2018-11-22 15:11:54 | 显示全部楼层
武汉理工麦立强&周亮Chem. Soc. Rev.:含硅氧化物:一类重要的锂离子电池负极材料
硅氧化物凭借其原料丰富、成本低廉、环境友好、易于合成以及高理论容量等优势,被视为高比能锂离子电池负极材料的有力候选者。然而,硅氧化物的实际应用受到其低电子电导率、高体积膨胀率和低库伦效率的限制。本综述对近年来含硅氧化物的合成及其储锂性质的研究进行了概括总结。

锂离子电池负极材料

锂离子电池负极材料

Liu Z, Yu Q, Zhao Y, et al. Siliconoxides: a promising family of anode materials for lithium-ion batteries[J]. Chemical Society Reviews, 2018.
DOI: 10.1039/C8CS00441B
https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2018/CS/C8CS00441B#!divAbstract

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发表于 2018-12-20 13:06:41 | 显示全部楼层
麦立强AEM:富缺陷软碳多孔纳米片实现快速高容量钠离子储存
软碳凭借其成本低廉、可调控层间距以及优异的电子电导性能,在摇椅式电池负极材料研究中吸引了广泛关注。然而,由于嵌钠化合物的形成,软碳对于钠离子的储存性能并不令人满意。在本文中,研究人员采用微波诱导的剥离策略,从传统的软碳材料中分离出了多孔软碳纳米片。这种软碳纳米片边缘处的微孔与缺陷共同促进了增强的动力学和额外的储钠位点。

富缺陷软碳多孔纳米片

富缺陷软碳多孔纳米片

Yao X, et al. Defect‐Rich Soft Carbon Porous Nanosheets for Fast and High‐Capacity Sodium‐IonStorage[J]. Advanced Energy Materials, 2018.
DOI: 10.1002/aenm.201803260
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aenm.201803260





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分级纳米线复合材料的制备科学与储能性能优化        麦立强,徐林,赵云龙,牛朝江,晏梦雨        武汉理工大学        2018年度高等学校科学研究优秀成果奖(科学技术)自然奖        一等奖
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武汉理工麦立强CM:基于单相可逆反应的VO2纳米棒用于水性Zn离子电池
由廉价的锌负极和无毒含水电解质组成的锌离子电池(ZIB)是大规模储能应用强有力的候选者。武汉理工大学麦立强课题组使用VO2纳米棒作为ZIB正极材料,通过原位技术和定性分析首次提出VO2的储锌机制为高度可逆的单相反应,并动态分析了在脱嵌过程中的晶格参数:VO2晶胞在充/放电过程中周期性地在a,b,c方向上可逆地收缩/膨胀,展示出具有三种不同晶格参数的三个阶段。VO2纳米棒展示出超稳定的ZIB电化学性能,在0.05 A g-1下有325.6 mAh g-1的高初始容量,在3.0 A g-1下循环5000次后容量保持率为86%。

VO2纳米棒

VO2纳米棒

Chen L, Ruan Y, Zhang G, etal. An Ultrastable and High-Performance Zn/VO2 Battery Based ona Reversible Single-Phase Reaction[J]. Chemistry of Materials, 2019.
DOI:10.1021/acs.chemmater.8b03409
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.chemmater.8b03409

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武理工麦立强&安琴友Nano Energy : 碱金属离子预嵌层状氧化钒纳米线及其稳定储镁行为


武汉理工大学麦立强教授、安琴友副研究员(共同通讯作者)等提出碱金属离子(Li+, Na+, K+)预嵌入以改善层状氧化钒(A-V3O8)Mg2+储存的结构稳定性,并在Nano Energy上发表了题为“Alkali Ions Pre-intercalated Layered Vanadium Oxide Nanowires for Stable Magnesium Ions Storage”的研究论文。从实验结果可以看出,随着预嵌入离子半径的增加,正极的循环性能得以提高。为了解释优化原理,作者使用密度泛函理论(DFT)计算来模拟预嵌入阳离子和层状结构之间的相互作用。在插层化合物A-V3O8(A = Li, Na, K)中,Na+预嵌入材料(NaV3O8)的电化学性能优于大多数RMB正极材料。此外,还证明了NaV3O8的反应机理。该工作证实适当碱金属离子的预嵌入是提高RMB层状正极材料电化学性能的有效策略。

晶体结构

晶体结构




综上所述,作者基于结构分析、电化学测试和DFT计算,系统地研究了碱金属阳离子(Li+, Na+, K+)预嵌入氧化钒作为镁电池的优化正极材料。用Na+预嵌入产生更稳定的层间结构,可允许Mg2+自由扩散并防止层状结构坍塌。结果表明,层状结构中适当的预嵌入离子可以提高镁电池中的Mg2+嵌入容量和循环性能。上述现象归因于层状结构和嵌入的碱金属离子之间的稳定作用。插入的离子将充当“支柱”以稳定层状空间和缓冲空间,以适应在充电和放电过程中分层结构的膨胀/收缩。这一优化策略为调节钒氧化物的扩散通道提供了一种有效且可行的方法。另一方面,首次揭示了NaV3O8在镁离子储存中的结构演变和单相反应机理,对进一步优化层状钒基材料的Mg2+储存具有指导意义。

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麦立强Nano Energy:碱金属离子预嵌入的钒氧化物纳米线实现高稳定镁离子电池
可充镁电池凭借高能量密度、高安全性以及低成本等优势而成为新一代高性能二次电池的有力竞争者。然而,镁离子电池正极材料的发展受到Mg2+极化太大的限制,这会导致晶体结构的破坏以及进一步电池失效。向正极材料晶体结构中预嵌入不同的碱金属离子是提高材料电化学性能和晶体结构稳定性的有效策略。在本文中,研究人员向钒氧化物纳米线中预嵌入碱金属离子(Li+/Na+/K+)实现了稳定的镁离子储存。研究人员采用密度泛函理论对预嵌入阳离子与层状氧化物之间的相互作用进行了模拟计算。在各种嵌入化合物A-V3O8中,NaV3O8氧化物的正极材料的电化学性能在各种可逆镁电池体系中具有最优的电化学性能。

钒氧化物纳米线

钒氧化物纳米线

Tang H, et al. Alkali ions pre-intercalated layered vanadium oxide nanowires forstable magnesium ions storage. Nano Energy, 2019.
DOI: 10.1016/j.nanoen.2019.01.053
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221128551930062X?dgcid=rss_sd_all

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武汉理工麦立强Chem:循环1万次的镁离子电池正极材料
武汉理工大学麦立强课题组通过对α-V2O5进行化学改性,开发出一种层间具有Mg2+和晶格水的双层结构氧化钒(Mg0.3V2O5·1.1H2O),并将其作为镁离子电池(MIB)正极材料。预嵌入的Mg2+提供高电子传导性和优异的结构稳定性;晶格水的电荷屏蔽效应,能够实现快速的Mg2+迁移。由于Mg2+和晶格水的协同作用,Mg0.3V2O5·1.1H2O表现出优异的倍率性能和前所未有的循环寿命,在10000次循环后容量保持率为80.0%,该材料在全MIB中表现出良好的电化学性能。

镁离子电池正极材料

镁离子电池正极材料

Yanan Xu, Xuanwei Deng, Qidong Li, Guobin Zhang, Fangyu Xiong,Shuangshuang Tan, Qiulong Wei, Jun Lu, Jiantao Li, Qinyou An, Liqiang Mai.Vanadium Oxide Pillared by Interlayer Mg2+ Ions and Water as Ultralong-Life Cathodes for Magnesium-Ion Batteries. Chem, 2019.
DOI: 10.1016/j.chempr.2019.02.014
https://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(19)30071-3

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