臥虎藏龍！細說中科院的三位杰出青年科學家

中國科學院（簡稱中科院）成立于1949年11月，是中國自然科學最高學術機構、科學技術最高咨詢機構、自然科學與高技術綜合研究發展中心。據2018年11月中科院官網顯示，全院共擁有12個分院、100多家科研院所、3所大學（中國科學院大學、中國科學技術大學，與上海市共建上海科技大學）、130多個國家級重點實驗室和工程中心、210多個野外觀測臺站，承擔20余項國家重大科技基礎設施的建設與運行，正式職工7.1萬余人，在學研究生6.4萬余人；建成了完整的自然科學學科體系，物理、化學、材料科學、數學、環境與生態學、地球科學等學科整體水平已進入世界先進行列，一些領域方向也具備了進入世界第一方陣的良好態勢。在解決關系國家全局和長遠發展的重大問題上，已成為不可替代的國家戰略科技力量。一批科學家在國家重大科技任務中發揮了關鍵和中堅作用，并作為我國科技界的代表活躍在國際科技前沿。

今天筆者就來介紹三位來自中科院的杰出青年科學家！

第一位，中科院化學所郭玉國研究員。

郭玉國，中國科學院化學研究所研究員，中國科學院大學崗位教授，博士生導師，中科院分子納米結構與納米技術重點實驗室副主任，國家杰出青年基金獲得者（2012），“國家重點研發計劃”首席科學家。主要學術任（兼）職：中國化學會青年化學工作者委員會副主任、中國化學會電化學委員會委員和“化學電源”分會主席、中國科協先進材料學會聯合體第一屆青年工作委員會委員、中國材料研究學會青年工作委員會理事、中國化學會納米化學專業委員會委員、中國硅酸鹽學會固態離子學分會理事和副秘書長、ACS Applied Materials & Interfaces副主編、《中國科學：化學》、Nano Research、Energy Storage Materials、ChemNanoMat、ChemElectroChem、Solid State Ionics、Scientific Reports、《科技導報》等期刊編委。

曾獲榮譽：2019年中國科學院“優秀研究生指導教師”獎、2018年國際能量存儲與創新聯盟Young Career Award獎、2018年中國科學院青年科學家獎、2018年度中國科學院“優秀研究生指導教師”獎、2017年中國科學院杰出青年獎、2017年中科院特聘研究員核心骨干、2016年國際電化學能源科學院(IAOEES)卓越研究獎、2014年國際電化學委員會ISE Tajima獎、2014年中國科學院“優秀研究生指導教師”獎、2014年中國科學院大學/化學研究所“化學科學獎教金（創新獎）”、2013年中國青年科技獎、2013年亞洲化學學會聯合會杰出青年化學家獎、2013年 IUPAC江教授新材料獎、2012年美國國家地理新興探索者(The National Geographic Emerging Explorers)、2012年中國材料研究學會科學技術獎二等獎(排名第一)、2011年中國電化學會青年獎、2011年美國麻省理工學院《Technology Review》“全球杰出青年創新家TR35”、2009年首屆“SCOPUS尋找未來科學之星”納米科學領域金獎、2008年中國化學會青年化學獎等。

一直從事能源電化學與納米材料的交叉研究。近年來在動力電池和儲能電池體系及其關鍵材料方面取得了系列創新性成果，研制出多種新型高性能電極材料和二次電池體系，實現了高性能電極材料的規模化生產和應用，推動了鋰離子電池、鋰硫電池、固態金屬鋰電池的科學和技術進步。先后在Nature Mater.、Nature Energy、 Nature Commun.、Science Adv.、Acc. Chem. Res.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Chem、Joule、Energy Environ. Sci.等國際知名期刊上發表SCI論文300多篇，被引45000多次，h指數為111。2014-2019連續六年被Clarivate Analytics（原湯森路透）評選為全球“高被引科學家”。申請國際PCT專利16項，中國發明專利99項；獲得美國發明專利授權2項，德國發明專利授權1項，英國發明專利授權1項，日本發明專利授權1項，中國發明專利授權67項，成果轉化18項。

近期工作進展：

1、Small：P3/O3集成層狀氧化物作為鈉離子電池的高功率長壽命正極

低成本和穩定的鈉層狀氧化物（如P2相和O3相）被認為是極有前景的鈉離子電池（NIBs）正極材料。雙相混合主要涉及P2/O3和P2/P3雙相，通常用于提高它們的電化學性能。在此，中科院化學所郭玉國研究員等人通過調節Na_2/3Ni_1/3Mn_2/3?xTi_xO₂（x=0，1/6，1/3，2/3）中Ti的取代量，證明P3/O3集成層狀氧化物（Na_2/3Ni_1/3Mn_1/3Ti_1/3O₂）可作為NIBs的高倍率長壽命正極。X射線衍射（XRD）Rietveld精修和像差校正掃描透射電鏡顯示P3和O3相共存，密度泛函理論計算證實了Ti取代量為1/3時異常O3相的出現。P3/O3雙相正極具有出色的倍率容量（在5C下可獲得約為88.7%的初始容量）和循環穩定性（在1C下循環2000次后具有約為68.7%的容量保持率），優于單相P3-Na_2/3Ni_1/3Mn_2/3O₂、P3-Na_2/3Ni_1/3Mn_1/2Ti_1/6O₂和O3-Na_2/3Ni_1/3Ti_2/3O₂。此外，通過XRD、XPS和Na⁺快速擴散動力學觀察到P3/O3集成正極的高度可逆結構演變。這些結果顯示了P3/O3雙相混合在NIBs層狀氧化物正極設計和工程中的重要作用。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202007236

2、Adv. Energy Mater.：具有內置磷穩定劑的高導熱隔膜助力富鎳正極基鋰金屬電池

無鈷正極材料的發展推動了下一代金屬電池層狀富鎳正極的研究。不幸的是，富鎳正極材料由于相變產生析氧反應，從而導致低容量保持率和差熱穩定性等問題，阻礙了其廣泛應用。在此，中科院化學所郭玉國研究員等人利用無機磷基阻燃劑和導熱氧化石墨烯添加劑，通過簡單的相轉化方法制備了具有三維多孔結構的高柔性隔膜。得益于其三維多孔結構、內置的自由基清除劑和均勻的熱分布，所獲得的隔膜能夠通過阻斷大尺寸陰離子實現接近單一的Li⁺遷移（t_Li+=0.8），并使NCM811/Li金屬電池在0.2 C下達到188.8 mAh g^-1，經過200次循環后，容量保持率為82.2%，而商用聚烯烴隔膜的容量保持率僅為41.4%。此外，通過減少局部溫度熱點和實現充分的傳質，該隔膜還具有優異的抑制枝晶能力。這項工作也為穩定其他高能電池系統的活性電極材料提供了一條新的替代途徑。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/aenm.202003285

3、J. Mater. Chem. A：可充電鎂電池的研究進展

為有效利用太陽能、風能、潮汐能等可再生能源，儲能是一個亟待解決的重要問題。在二次電池儲能方面，相較于鋰，鎂具有低成本、環境友好、易于操作等優勢。因此，可充電鎂電池（RMBs）在實際應用中被認為是可充鋰電池的綠色替代品。在過去的幾年里，RMBs取得了很大的進展，但也存在許多問題。在此，中科院化學所郭玉國研究員等人從正極、電解質和負極三個方面綜述了金屬基復合材料的最新進展。闡述了正極結構對Mg²⁺遷移動力學的影響，簡要介紹了各種用于RMBs電解質的性能和特點，并對金屬鎂及其它類型負極材料的改性進行了綜合討論。此外，還討論了RMBs目前面臨的挑戰和未來發展的重要指導方針。

原文鏈接：https://doi.org/10.1039/D0TA09330K

第二位，中科院物理所胡勇勝研究員。

胡勇勝，中國科學院物理研究所研究員，博士生導師，國家優秀青年基金獲得者（2012）、國家杰出青年基金獲得者（2017）。曾獲榮譽：開發的鈉離子電池獲得2020年中關村國際前沿科技創新大賽總決賽亞軍、2019年中國科學院北京分院科技成果轉化特等獎及2019年儲能技術創新典范“TOP10”和“評委會大獎”，2018年中國科學院優秀導師獎、2017年第三批國家科技創新領軍人才、2016年第十四屆中國青年科技獎、2016年科技部中青年科技創新領軍人才、2016年英國物理學會會士、2015年英國皇家化學會會士、2015年國際電化學學會 Tajima Prize、2015年英國皇家學會Newton Advanced Fellowships （牛頓高級學者基金）、2015年茅以升科學技術獎--北京青年科技獎、2013年第十屆中國硅酸鹽學會青年科技獎、2013年中國電化學青年獎、2012年中科院物理所科技新人獎等。

研究方向為鈉離子電池材料與器件及其相關基礎科學問題，開創性提出鈉離子電池低成本正負極材料：發現Cu²⁺/Cu³⁺氧化還原電對在含鈉層狀材料中具有電化學活性，提出利用便宜的Cu替換昂貴的Ni/Co進而設計了低成本Na-Cu-Fe-Mn-O層狀氧化物正極材料，提出利用無煙煤作為前驅體制備低成本碳負極材料；作為創始人之一成立中科海鈉，致力于推動鈉離子電池的實用化。先后在Science、Nature Energy、Nature Mater.、Joule、Nature Commun.、Science Adv.、ACS Energy Letters、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Energy Storage Materials、Energy Environ. Sci.、Angew. Chem. Int. Ed.、JACS、Nano Letters等國際重要學術期刊上發表論文200余篇，被引26000余次，H指數為86，連續7年入選科睿唯安 “高被引科學家”。目前擔任ACS Energy Letters雜志資深編輯。合作申請60余項中國發明專利、5項國際發明專利、已授權40項專利（包括美國、日本、歐盟等5項）。

近期工作進展：

1、Science：合理設計層狀氧化物材料用于鈉離子電池

由于鈉在地殼中儲量豐富，鈉離子電池已在智能電網的電能存儲中引起了廣泛關注。但此類電池的性能受到可用電極材料的限制，尤其是對于鈉離子層狀氧化物，這激發了人們對高性能電極材料的探索。但預測組成如何決定結構從而影響電化學性能非常困難，特別是對于復雜的組成。在此，中科院物理所胡勇勝研究員等人提出利用陽離子勢來預測鈉離子層狀氧化物的構型。為了進一步驗證該方法在材料合成中的實際指導作用，以Na[Li_1/3Mn_2/3]O₂為初始組成，通過調控陽離子勢合成出了富鈉O3-Na[Li_1/3Ti_1/6Mn_1/2]O₂和高鈉P2-Na_5/6[Li_5/18Mn_13/18]O₂兩種純相層狀氧化物正極材料，通過氧離子變價實現了較高的儲鈉容量。該工作不僅為層狀氧化物結構的設計提供了新的方法，而且用實驗確認了該簡單方法的有效性，為低成本、高性能鈉離子電池層狀氧化物正極材料的設計制備打下了堅實的科學基礎。值得一提的是，這是Science期刊首次報道鈉離子電池研究成果！

原文鏈接：http://science.sciencemag.org/content/370/6517/708

2、ACS Energy Lett.：用于鈉離子電池的超低濃度電解質

電解液是儲能電池不可或缺的重要組成部分，而調控電解液濃度是實現其功能化設計的有效策略之一。近年來，高鹽濃度電解液因其特殊的體相與界面特性被廣泛用于金屬鋰電池、水系電池等。但與此相反，降低鹽濃度可能會帶來濃差極化，所以目前實際鋰電池應用大多集中于標準的1 M濃度，從而使得低鹽濃度電解液一直沒有得到系統的研究。鈉離子的Stokes半徑和脫溶劑化能均比鋰離子的要低，因此理論上采用較低的鈉鹽濃度也可實現足夠的動力學性能，從而使得超低鹽濃度電解液應用于鈉離子電池成為可能。考慮到鹽的成本通常是溶劑的十倍以上，減少鈉鹽使用可以有效降低鈉離子電池的成本，從而有利于鈉離子電池在儲能領域的大規模應用。在此，中科院物理所胡勇勝研究員等人將六氟磷酸鈉（NaPF₆）溶解于碳酸乙烯酯（EC）和碳酸丙烯酯（PC），首次設計了一種可應用至鈉離子全電池的低鹽濃度電解液（0.3 M濃度）。得益于電解液的低粘度、低氫氟酸腐蝕以及形成的富含有機成分的固體電解質中間相等（對比1 M濃度），電池工作溫度窗口得到明顯的拓寬（-30至55°C）。低鹽濃度電解液概念的提出為可充式電池在極端條件下穩定運行提供了新思路，未來低鹽濃度電解液概念有望擴展到其他的電解質體系及其他低成本儲能電池。

原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsenergylett.0c00337?

3、Energy Storage Materials：用于鈉離子電池的新型富鎳O3-Na [Ni_0.60Fe_0.25Mn_0.15]O₂正極

O3型層狀氧化物材料因其高容量而被認為是最有前景的鈉離子電池正極材料之一，但在高脫鈉狀態下往往會發生結構損傷。為獲得穩定的高容量O3型鈉離子正極，中科院物理所胡勇勝研究員等人采用共沉淀法合成了一系列?O3-Na [Ni_xFe_yMn_1-x-y]O₂?(x=0.6、0.7和0.8)正極材料，通過結合電化學測試和原位/非原位結構表征，系統研究了高鎳O3型正極材料的儲鈉機制、鎳含量（鐵錳替代量）與儲鈉性能之間的關系。結果表明，組成為Na[Ni_0.60Fe_0.25Mn_0.15]O₂（ O3-NNFM）的材料具有較好的綜合性能，在2.0-4.2 V的電壓范圍內顯示出190 mA·h/g的比容量，并伴隨著O3-O'3-P3-O3''的相轉變過程。此外，該研究揭示了高壓下容量衰減的幾個原因：1）由于晶體結構中Na⁺較少，導致高壓相熱力學不穩定；2）高壓相演化過程中體積變化較大，Na⁺擴散動力學較差；3） 正極顆粒表面微裂紋和正極電解質界面的形成。為了解決上述問題，作者設定了4.0 V的合理上限截止電壓，以防止O3〃相的形成并抑制電解液的分解，從而獲得約152 mAh g^?1（~467 Wh kg^?1）的高可逆容量，在0.5 C下進行200次循環后，容量保持率高達約84%，顯示出良好的鈉儲存性能。這項工作為進一步開發高性能富鎳O3型鈉離子電池正極提供了結構-性能關系方面的見解。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2020.05.013

第三位，中科院青島能源所崔光磊研究員。

崔光磊，中國科學院青島生物能源與過程所研究員，博士生導師，國家杰出青年基金獲得者（2016），國家重點研發計劃新能源汽車專項高比能固態鋰電池技術項目首席科學家，國務院特殊津貼專家。現任中科院青島能源所學位委員會主任、學術委員會副主任，青島儲能產業技術研究院執行院長、能源應用技術研究室主任，國際聚合物電解質委員會理事、國際儲能創新聯盟理事、中國化學會電化學委員會委員、中國化學會能源化學專業委員會委員、中國化學會有機固體專業委員會委員等。曾獲榮譽：2018年國家“萬人計劃” 、2018年山東省自然科學一等獎、2017年科技部中青年科技創新領軍人才、2017年青島市自然科學一等獎、2015年山東省“泰山學者特聘專家”、?2013年青島市創業創新領軍人才、2011年第八屆青島市青年科技獎、2009年山東省自然科學杰出青年基金、2009年中國科學院“百人計劃”等

研究方向為高比能固態鋰電池、高功率鋰電池/鋰離子電容器、下一代低成本儲能器件（鋅離子電池、鎂離子電池等）等以及鈣鈦礦太陽能電池核心關鍵材料、器件、系統及應用。先后在Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Environ. Energy Science、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Sci.等發表文章260多篇，被引10000多次。申請國家專利190余項，授權80余項，申請PCT專利6項。

近期工作進展：

1、Energy Storage Materials：氰基增強的原位聚合物電解質助力高壓長循環壽命鋰金屬電池

固態聚合物電解質（SSPEs）有望改善鋰金屬電池（LMBs）的能量密度和安全性。然而，由于在環境溫度下EO鏈段的低氧化分解電位和聚合物基體的高結晶性，采用基于環氧乙烷（EO）SSPE的高壓LMBs具有差的可循環性。在此，中科院青島能源所崔光磊研究員等人通過丙烯酸2-氰基乙基酯和聚（乙二醇）甲基醚丙烯酸酯的原位共聚來制備氰基增強的SSPE，以改善高壓LMB的循環性。在這種SSPE中，具有低負靜電勢的氰基可以在充電過程中優先與LiCoO₂發生強相互作用，從而有效地抑制了EO鏈段的分解。此外，形成了富氮和富LiF的穩定正極電解質中間相（CEI），這進一步提高了基于EO的SSPE與LiCoO₂正極的相容性。另外，這種原位聚合策略不僅簡化了制備過程，而且有效抑制了SSPE的結晶。結果，LiCoO₂/Li的電池顯示出優異的循環性，在60℃和4.4 V下循環500次后，容量保持率為80.7%，在環境溫度和4.5 V下循環100次后，容量保持率為93.5%。這種簡單有效的氰基增強設計策略對基于EO-SSPE的高壓LMBs的合理設計具有里程碑式的重要意義。

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.01.017

2、Angew. Chem. Int. Ed.：鋰金屬電池中LiH的形成/分解平衡及其對負極失效的影響

發現鋰負極失效的根本原因是鋰金屬電池（LMBs）邁出應用的關鍵一步。在這項工作中，中科院青島能源所崔光磊研究員等人在新型在線氣體分析質譜（MS）系統中進行了氘水（D₂O）滴定實驗，以測定從實際LiCoO₂/Li?LMBs中拆卸的循環鋰負極中金屬鋰和氫化鋰（LiH）的含量。LiCoO₂/Li電池由超薄鋰負極（50 μm）、高負載LiCoO₂（17 mg cm^-2，2.805 mAh cm^-2）和不同配方的電解液組成。研究結果表明，LiH的積累量與實際LMBs的可循環性呈負相關。更重要的是，作者揭示了一個溫度敏感平衡（Li+1/2H₂?LiH），該平衡決定了鋰負極處LiH的形成和分解過程。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202013812

3、Small：用于固態鋰電池的鋰導電聚合物電解質的高分子設計

在固態鋰電池的發展中，固態聚合物電解質（SPE）因其熱穩定性、化學穩定性、低密度和良好的加工性能而受到廣泛關注。特別是SPE能有效抑制鋰枝晶的形成，提高電池的安全性。然而，大多數SPE衍生自具有簡單官能團的基質，存在離子電導率低、電導率改性后力學性能降低、電化學穩定性差、鋰離子遷移率低等問題。將多官能團大分子設計應用于聚合物基體是從根本上解決SPE問題的一種策略。在此，中科院青島能源所崔光磊研究員等人綜述了基于鋰導電基團的高分子設計，包括共聚、網絡構建和接枝等。同時，還重點介紹了單離子導體聚合物的結構。此外，還綜述了所設計的基質、鋰鹽和填料之間的協同效應，以期進一步提高SPE的性能。最后，在高能量密度和耐用性的固態電池SPE的開發中，提出了關于高分子設計的未來研究。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/smll.202005762

本文由月輪供稿。

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