共有核心成員11人，其中包括教授2人、副教授6人以及講師3人，其中，國(guó)家杰青1人（柔性引進(jìn)）、珠江青年人才1人（全職），五邑大學(xué)高層次人才9人，具有海（境）外留學(xué)經(jīng)歷人員4人。團(tuán)隊(duì)主要研究方向包括：固態(tài)離子學(xué)、電化學(xué)儲(chǔ)能材料等，針對(duì)鋰離子電池及新一代電池體系進(jìn)行開(kāi)發(fā)，致力于提高電池能量密度和安全性，基于材料化學(xué)與電化學(xué)手段，探究電池失效機(jī)制，改性和開(kāi)發(fā)高安全性電極材料及電解質(zhì)，探索新一代高能量密度電池。在正負(fù)極材料開(kāi)發(fā)以及固態(tài)電解質(zhì)電極界面優(yōu)化等方面取得了一定的研究成果（見(jiàn)代表性成果簡(jiǎn)介）。擁有惰性手套箱、電化學(xué)工作站、紅外光譜儀等科研設(shè)備，以及獨(dú)特的原位差分電化學(xué)質(zhì)譜、原位電化學(xué)拉曼光譜、原位電化學(xué)顯微鏡以及原位電化學(xué)X射線(xiàn)衍射等技術(shù)。成員主持國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目/面上項(xiàng)目、廣東省自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目/區(qū)域聯(lián)合基金、廣東省教育廳項(xiàng)目、江門(mén)市工程中心及重點(diǎn)項(xiàng)目以及五邑大學(xué)高層次人才啟動(dòng)項(xiàng)目等各類(lèi)項(xiàng)目30余項(xiàng)，授權(quán)專(zhuān)利30余項(xiàng)，其中包括國(guó)際專(zhuān)利2項(xiàng)（美國(guó)），成員曾在Science, Nature, Nat. Mat., Adv. Mat., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.等高水平國(guó)際高水平期刊發(fā)表多篇論文，近三年來(lái)，以五邑大學(xué)為第一單位發(fā)表論文27篇，其中包括以五邑大學(xué)為第一單位在材料學(xué)頂級(jí)期刊Advanced Materials (IF= 32.086) 雜志上發(fā)表論文3篇。

研究領(lǐng)域

1. 電池材料改性及開(kāi)發(fā)

 基于理論模型及數(shù)據(jù)分析預(yù)測(cè)，在材料合成與復(fù)合層面，對(duì)電極材料、電解質(zhì)等進(jìn)行開(kāi)發(fā)與改性，對(duì)漿料體系、材料復(fù)合以及界面復(fù)合等方案進(jìn)行改進(jìn)，以得到循環(huán)穩(wěn)定的高性能電極、電解質(zhì)與復(fù)合材料。同時(shí)需要考究材料在電池運(yùn)行中與電解質(zhì)（液）非平衡動(dòng)態(tài)演化行為，解析電極|電解質(zhì)（液）界面反應(yīng)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)工況條件下電池內(nèi)部復(fù)雜多相界面的精準(zhǔn)調(diào)控。該工作方向包括但不限于：高容量長(zhǎng)循環(huán)正負(fù)極材料研究；多級(jí)厚電極設(shè)計(jì)與制備；材料表界面構(gòu)筑；電極表面膜的離子傳導(dǎo)研究和穩(wěn)定化策略。

2.電化學(xué)界面機(jī)制以及安全性研究

 基于高精度全方位聯(lián)用電化學(xué)譜學(xué)技術(shù)的電極材料與電極|電解質(zhì)界面分析，深入理解并詳細(xì)闡述電極材料與界面在電池循環(huán)過(guò)程中的熱/動(dòng)力學(xué)行為與結(jié)構(gòu)演化機(jī)制?？沙掷m(xù)的電池技術(shù)創(chuàng)新需要全方位表征平臺(tái)做支撐。單一技術(shù)表征已無(wú)法解釋當(dāng)前復(fù)雜工況條件下的電池工作行為。除了常規(guī)的包括部分企業(yè)研發(fā)部門(mén)已經(jīng)擁有的材料和電化學(xué)表征技術(shù)以外，我們將在目前已有的特色表征手段上發(fā)展多場(chǎng)耦合聯(lián)用技術(shù)，原位監(jiān)測(cè)電池體系中電解質(zhì)（液）側(cè)的分子、電極側(cè)的活性結(jié)構(gòu)和組分動(dòng)態(tài)演變，實(shí)現(xiàn)由原先單一暫態(tài)或平衡態(tài)到多外界因素影響的遠(yuǎn)離平衡態(tài)過(guò)程、從單一穩(wěn)定電極／界面到多變界面有能量和物質(zhì)輸入的全體系等轉(zhuǎn)變過(guò)程的檢測(cè)從而提高產(chǎn)品的安全性和電化學(xué)性能。

3.新一代電池體系探索

鋰離子電池在最近20年得到了快速的發(fā)展。但隨著市場(chǎng)不斷擴(kuò)張，傳統(tǒng)的鋰離子電池等已難以滿(mǎn)足將來(lái)電動(dòng)汽車(chē)等大規(guī)模使用的電器對(duì)于大容量蓄電裝置的要求。為了補(bǔ)充或者部分替代鋰離子電池市場(chǎng)，挖掘和發(fā)展低成本、高比能、高安全電化學(xué)體系也是很重要的一個(gè)發(fā)展方向。例如水系鋅離子電池、鉀離子電池和全固態(tài)電池等因具有與鋰離子電池相似的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題，為未來(lái)十年乃至二十年電池技術(shù)發(fā)展布局，搶占電池技術(shù)創(chuàng)新競(jìng)爭(zhēng)高地。

突出成果介紹

1. 全固態(tài)金屬鋰電池界面修飾：

如圖1所示，本成果對(duì)Li|Garnet界面進(jìn)行優(yōu)化，采用微量Na（0.5 wt%）摻雜的金屬Li（記為Li*）在熔融狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)了與石榴石型固態(tài)電解質(zhì)的浸潤(rùn)，并將其界面電阻自0.34 kΩ?cm²降至0.66 Ω?cm²，降低約三個(gè)數(shù)量級(jí)；界面具有較好的穩(wěn)定性，如Li*|LLZTO|Li*對(duì)稱(chēng)電池可實(shí)現(xiàn)在0.1 mA?cm^-2的電流密度下穩(wěn)定循環(huán)1250圈，在變電流測(cè)試中其最高可耐受電流密度可達(dá)1.5 mA?cm^-2；使用Li*|LLZTO與LiFePO₄組成的準(zhǔn)全固態(tài)電池Li*|LLZTO| LiFePO4能夠做到穩(wěn)定循環(huán)，且?guī)靷愋?/span>>99.9%。對(duì)于界面浸潤(rùn)機(jī)理，我們認(rèn)為Li₂CO₃雜質(zhì)不僅分布于LLZTO的表面，同時(shí)也會(huì)因加工問(wèn)題導(dǎo)致其分散于LLZTO的晶界間隙，無(wú)法僅通過(guò)物理打磨除去，會(huì)導(dǎo)致Li與LLZTO整體不浸潤(rùn)，而微量Na的引入，會(huì)改變Li*與Li₂CO₃的浸潤(rùn)性，并將Li₂CO₃從表面晶界中剝離、轉(zhuǎn)移至Li*表面從而徹底除去，最終實(shí)現(xiàn)浸潤(rùn)以及低界面阻抗。為證實(shí)此機(jī)理，我們采用電化學(xué)剝離法除去Li*，以獲得被浸潤(rùn)后的LLZTO表面，再使用深度剖析XPS技術(shù)研究Li₂CO₃的分布，發(fā)現(xiàn)被浸潤(rùn)后的LLZTO表面幾乎無(wú)Li₂CO₃存在，而其內(nèi)部則可探測(cè)到較多Li₂CO₃，FTIR表明浸潤(rùn)后，Li₂CO₃轉(zhuǎn)移至Li*表面，結(jié)合DFT計(jì)算（Li*與Li₂CO₃間具有較負(fù)的-1.93 J?m^-2界面形成能）與Li*- Li₂CO₃浸潤(rùn)性的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，使得浸潤(rùn)機(jī)理得到了完整的解釋?zhuān)矠楹罄m(xù)研究奠定了基礎(chǔ)。 “A High-Performance Carbonate-Free Lithium|Garnet Interface Enabled by a Trace Amount of Sodium” Adv. Mater., 32: 2000575 (2020)

圖1 LLZTO|Li*的界面浸潤(rùn)性改善，界面形貌及Li*|LLZTO|Li*對(duì)稱(chēng)電池的阻抗和循環(huán)性能

2. Te-SnS₂/MXene鉀離子電池負(fù)極：

如圖2所示，本成果通過(guò)溶劑熱的方法將SnS₂錨定在MXene表面，并通過(guò)Te摻雜的策略制備了一種納米復(fù)合材料（Te-SnS₂/MXene）。該材料具有強(qiáng)界面作用力和可調(diào)節(jié)的層間距，能有效地加速電子/離子遷移，調(diào)節(jié)體積膨脹，抑制裂紋形成，提高循環(huán)過(guò)程中的贗電容貢獻(xiàn)。因此，Te-SnS₂/MXene負(fù)極表現(xiàn)出高的初始放電比容量（0.2 A g^?1時(shí)為732.5 mAh g^?1）、優(yōu)異的倍率性能（20 A g^?1時(shí)為186.4 mAh g^?1）、良好的長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定性（10 A g^?1下5000次循環(huán)后為165.8 mAh g^?1，電極膨脹率僅為15.4%）。本工作為開(kāi)發(fā)高性能MXene基儲(chǔ)鉀材料提供了新的設(shè)計(jì)路線(xiàn)，并為構(gòu)建大規(guī)模的儲(chǔ)能系統(tǒng)提供了新的思路。“Strongly Coupled Te-SnS₂/MXene Superstructure with Self-Autoadjustable Function for Fast and Stable Potassium Ion Storage” J. Energy Chem., 61: 416-424 (2021)

圖2  a）Te-SnS₂/MXene的SEM圖像；b）Te-SnS₂/MXene和SnS₂的高分辨S 2p精掃譜；c）Te-SnS₂/MXene、SnS₂/MXene和SnS₂的GITT曲線(xiàn)；d）Te-SnS₂/MXene在1.1 mV s-1掃速時(shí)的贗電容占比（橙色區(qū)）；e）Te-SnS₂/MXene在10 A g-1下的長(zhǎng)循環(huán)性能。

3. 高穩(wěn)定性鋰離子電池高鎳無(wú)鈷層狀電極材料

鋰離子電池是現(xiàn)代電子設(shè)備、電動(dòng)汽車(chē)和儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心組件。傳統(tǒng)的鋰離子電池通常使用鈷酸鋰（LiCoO?）作為正極材料，但鈷資源稀缺、價(jià)格昂貴且對(duì)環(huán)境有害。因此，開(kāi)發(fā)高性能且低成本的替代材料成為研究熱點(diǎn)。本研究團(tuán)隊(duì)成功開(kāi)發(fā)了一種高鎳無(wú)鈷層狀電極材料，具有出色的循環(huán)穩(wěn)定性和高容量。該材料化學(xué)式一般為LiNi?M???O?（其中M可以是Mg、Zr、B等元素），鎳含量高于90%，完全不含鈷。通過(guò)優(yōu)化制備工藝，如燒結(jié)溫度和時(shí)間控制，以及摻雜和表面修飾技術(shù)，顯著提升了材料的電化學(xué)性能。

成果應(yīng)用前景

1. 電動(dòng)汽車(chē)（EV）高鎳無(wú)鈷層狀電極材料在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）提升續(xù)航里程：高能量密度電極材料能夠顯著提升電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程，減少充電頻率，滿(mǎn)足用戶(hù)長(zhǎng)途駕駛需求。

2）降低電池成本：無(wú)鈷設(shè)計(jì)降低了材料成本，進(jìn)而降低電池整體成本，使電動(dòng)汽車(chē)更具市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

3）延長(zhǎng)電池壽命：優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性意味著電動(dòng)汽車(chē)電池可以經(jīng)歷更多的充放電循環(huán)，從而延長(zhǎng)電池的使用壽命，減少更換頻率和維護(hù)成本。

4）提高安全性：良好的熱穩(wěn)定性降低了電池過(guò)熱和起火的風(fēng)險(xiǎn)，提高了車(chē)輛的安全性。

2. 大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)（ESS）

在可再生能源和電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)中，高鎳無(wú)鈷電極材料提供了以下優(yōu)勢(shì)：

1)高效能量存儲(chǔ)：高倍率性能和長(zhǎng)循環(huán)壽命使其在風(fēng)能、太陽(yáng)能等不穩(wěn)定的可再生能源發(fā)電中表現(xiàn)出色，能夠高效存儲(chǔ)和釋放電能。

2)電網(wǎng)平衡和調(diào)頻：儲(chǔ)能系統(tǒng)可以在電力需求高峰期釋放電能，在低谷期儲(chǔ)存電能，幫助電網(wǎng)平衡負(fù)荷，提供穩(wěn)定電力供應(yīng)。

3)降低運(yùn)營(yíng)成本：材料成本的降低以及高穩(wěn)定性帶來(lái)的長(zhǎng)使用壽命，減少了儲(chǔ)能系統(tǒng)的整體運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本。

聯(lián)系人及聯(lián)系方式

聯(lián)系人：劉爭(zhēng)老師

聯(lián)系郵箱：[email protected]