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北理工陳人杰教授課題組使用MS在鋰鈉電池研究中取得多項重要成果!

北京創騰科技有限公司2019年8月1日 5:08 點擊:380

二次電池是能源轉化與存儲研究領域的重要器件,新材料的設計優化和內在作用機制研究對于電池整體性能的提升具有重要作用。


利用計算模擬技術可以預測電池材料的離子/電子電導率、離子遷移路徑、體積膨脹系數和晶體結構應力等信息,結合實驗研究工作可以揭示二次電池及材料的相關反應機理和結構演化,為材料性能優化提供理論指導。


北京理工大學陳人杰教授課題組長期致力于新型高性能二次電池及關鍵材料的創新研究與應用開發,在多電子電極材料、功能復合電解質材料和高性能二次電池器件方面取得了突出的成績。


該團隊利用計算模擬技術對研制的新型電池材料的反應機理和作用機制開展了系統深入的研究工作。




部分代表性成果如下:


一、鈉離子電池材料研究:


1、針對新型S摻雜硬碳電極,應用基于密度泛函理論(DFT)的DMol3模塊計算表明,硫摻雜的硬碳降低了Na+在電極表面的吸附能,增強了鈉儲存的反應動力學,優化了電極/電解液界面性質。該研究為揭示雜原子摻雜改性硬碳材料的機理提供了理論支持。(Adv. Energy Mater.2018, 8, 1703159)


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2、針對新型缺陷結構的Co0.85Se納米片電極,應用CASTEP模塊計算揭示了缺陷作用下的空位傳輸機理和電子結構演化,剖析了電子能帶結構變化對其電子電導率提升的重要影響,并闡明了Na+在缺陷結構中的傳輸能壘降低與局部電子結構變化的對應關系,為可控缺陷形成及其作用機制的研究提供了重要的理論依據。(Nano Energy 2018, 53, 524-535)


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3、探究了異質結構搭建對硫化物電極的電子能帶結構的作用機理,為設計新型異質結構的組分選取和結構組合提供了重要依據(Adv. Sci. 2018, 5, 1800613);揭示了新型羥基氧化物電極的Na+傳輸能壘,證明了羥基氧化物應用于鈉離子電池負極的可行性(Nano Energy, 2019, 60, 294-304)。


二、鋰硫電池材料研究:


1、針對新設計的聚多巴胺修飾功能隔膜,應用DMol3模塊研究了聚多巴胺材料對于各種多硫化物的捕獲能力;闡明了電荷的不對稱分布引起強靜電作用力的“捕硫機制”,提出了含有孤對電子的雜原子強化“捕硫能力”的新概念;結合經典的分子力學動力學模塊Forcite Plus計算證明了強聚合物鏈間相互作用可以有效抑制多硫化物穿梭的內在機制。(NanoLett. 2015, 15, 7431-7439)。


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2、應用Forcite Plus模塊下的COMPASS力場研究了不同聚合物的彈性常數,為設計尺寸可控的硫電極提供了重要的理論參數(Adv. Energy Mater., 2016, 7, 1601591);利用DFT計算揭示了新型硼基鋰鹽對于金屬鋰負極表面鈍化膜成膜機制的作用機理(J. Mater. Chem. A 2016, 4, 17033-17041)。


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三、功能電解質材料研究:


1、針對離子凝膠復合電解質,利用DMol3模塊研究了離子液體和ZrO2無機骨架之間的相互作用機制,揭示了無機氧化物與離子液體中有機陰離子配位作用而促進Li+傳輸的作用機理,為新型離子凝膠復合電解質的優化設計提供了理論支持。(J. Mater.Chem.A 2017, 5, 24677–24685)。


2、利用DMol3模塊計算揭示了雙草酸硼酸鋰基離子液體/環丁砜多元溶劑的復合電解質體系中的成膜機制,探究了電解液與不同正負極材料的相容特性,為電極/電解液界面穩定性研究并設計調控提供了理論支持。(Nano Energy, 2015, 13, 546)。


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陳人杰,北京理工大學教授、博導;中國材料研究學會理事(能源轉換與存儲材料分會秘書長)、中國固態離子學會理事、國際電化學能源科學學會(IAOEES)委員會委員、北京電動車輛協同創新中心研究員。


主要研究領域:多電子高比能二次電池新體系及關鍵材料、新型離子液體及功能電解質材料、特種功能電源全固態二次電池器件及薄膜材料。作為負責人,承擔了國家自然科學基金委項目、科技部重點研發計劃項目、中央在京高校重大成果轉化項目、北京市重大科技項目等課題。近五年在Chem. Soc. Rev.、Adv. Mater.、Nature Commun.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Sci.、Energy Environ. Sci.、Nano Energy等期刊發表SCI收錄論文210篇(IF>12的39篇);申請發明專利68項,獲授權28項;獲批軟件著作權5項,出版學術專著2部。作為主要完成人,獲得國家技術發明二等獎1項、部級科學技術一等獎3項。2009年入選教育部“新世紀優秀人才支持計劃”,2010年入選北京市優秀人才培養資助計劃、北京市科技新星計劃,2018年入選北京高等學校卓越青年科學家計劃。課題組與多所國內外大學及研究機構建立了合作關系,歡迎具有材料、化學、物理和計算機背景的本科生、研究生和博士后加盟。

(來源: 北京創騰科技有限公司


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