开拓创新！交大近期科研成果集锦来了

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近期，西安交大科研团队在氢储运、储能陶瓷电容器、凝胶材料、全固态锂电池等方面取得了成果和突破。

跟着交小童，一起看看交大科研成果吧~

目录

01

西安交大成永红教授团队破解氢气储运难题

02

西安交大周迪教授团队实现超低能量损耗无铅高温介质陶瓷电容器

03

西安交大张彦峰教授团队提出“分子阻塞”超分子机制  构建模量可调高阻尼抗冲击有机凝胶材料

04

西安交大丁书江教授团队首次利用多重动态键构建集成式正极/超薄聚合物电解质的全固态锂电池

成永红教授团队

破解氢气储运难题

近日，由西安交通大学、西咸新区开发建设管理委员会主办的秦创原科技成果产业化暨一九零八新能源新型储氢材料与氢动力电源产品发布会举行。

发布会现场，成永红教授介绍了氢储运技术的由来和未来的产业发展方向，同时发布“两条高密度固态复合储氢材料中试线投产”“三类基于固体储氢材料的氢动力电源”“一款氢能混合动力观光车”等系列成果。

科研成果

氢储运是氢能产业链的关键环节，氢气储运效率低、安全隐患大、成本高等难题，成为产业发展的瓶颈。

2012年，西安交通大学成立新型储能与能量转换纳米材料研究中心，围绕储能与能量转换从材料进行原始创新。在成永红、张锦英等教授的带领下，该研究中心开发出一种石墨烯界面纳米阀技术，在微米的金属氢化物上实现纳米石墨烯的封装，成功解决金属氢化物空气安全和可控释氢难题，研制出可以放在手上的复合储氢材料。它可以满足氢气大规模存储与运输需求，并能广泛用于工业制氢、电力储能、移动应用等场景，为氢能储、运、用提出了新方案。

依托西安交通大学“金属氢化物@石墨烯复合固态储氢材料”原创成果，成永红教授成立西安一九零八新能源科技有限公司，让科技成果走出实验室、走向生产线。7月，该公司两条日产百公斤级钠钙基和铝钠基复合储氢材料循环中试线建成投产，实现“金属制备—金属氢化—复合材料制备—释氢副产物回收利用”全技术链条验证，材料储释氢重量密度最高14%以上，可为氢气的大规模存储与远距离运输提供更有效的解决方案。目前，该公司已完成单套系统年产3000吨的工艺包设计，为后续大规模应用奠定了坚实基础。

人物介绍

成永红教授为国家级人才计划获得者、西安交大领军学者。主持完成国家自然科学基金青年项目1项、国家自然科学基金面上项目1项，作为子项目负责人参与完成国家自然科学基金重点项目1项，策划并参与了国家电网公司重大科技项目子项目4项、国家电网公司“十五”攻关项目1项、国家科技攻关项目1项、省级攻关项目2项、校企合作横向课题多项。

周迪教授团队实现

超低能量损耗无铅高温介质陶瓷电容器

研究背景

世界经济的快速发展总是伴随着人类社会对能源需求的不断增加，因此高效储能技术受到学术界和商业界广泛关注。储能陶瓷电容器作为脉冲电力电子应用的核心部件，其发展具有重要意义。与目前可用的其它电能存储设备（电池、燃料电池和超级电容器）相比，其优点包括快速充电/放电的能力，更高的功率密度和更长的寿命等，这对于先进电力电子设备向小型化和集成化的发展具有决定性意义。然而，能量密度小和/或能量效率低以及温度不稳定性是促进介电陶瓷电容器实际应用的主要阻碍。

科研创新

图1.BMT15-RRP陶瓷中多态PNRs共存的异质结构

根据介质电容储能的公式和基本原理，高性能电容器应具有高击穿E_b、大的最大极化强度（P_max）与剩余极化强度（P_r）差值（P_max-P_r）、极化饱和缓慢和温度不敏感等特点。弛豫铁电材料RFEs被认为是极具优化潜力的候选材料，因其纳米畴发生极化转换所需的能量势垒低，而铁电体FEs的微米级畴具有强互耦作用。

目前公认的增强弛豫行为的方法是通过在FEs中引入顺电或线性端元以诱导无序结构或纳米畴，比如BT-BaZrO₃和BF-SrTiO₃等。类似地，通过将顺电组元SrTiO₃（ST）或Sr²⁺引入到室温下呈R相的BNT陶瓷的A位点，可以在BNT-ST弛豫体系中实现菱方（R3c,R）和四方（P4bm,T）相纳米畴的共存结构。值得注意的是，在这种多态纳米畴结构中，极化各向异性和能量势垒明显受损，导致极化在电场下的转换比单相纳米畴更加平顺。

然而，一些初步工作发现，过量引入Sr²⁺会导致较大的P_max损失而限制储能性能的优化。因此，协调多态纳米畴的比例以增大P_max-P_r值和优化制备工艺以提高击穿场强为此项工作的研究重点。

图2.BMT15-RRP陶瓷在不同测试条件下（电场、温度、频率和循环次数）的储能特性

针对这一问题，西安交通大学电信学部电子科学与工程学院周迪教授团队通过在(Bi_0.5Na_0.5)_0.7Sr_0.3TiO₃（BNST）弛豫铁电陶瓷中引入Bi(Mg_1/3Ta_2/3)O₃（BMT）端元，设计出一种R相和T相极性纳米微区（PNRs）嵌入C相顺电基体的异质结构，如图1所示。通过组分调制优化R相和T相纳米畴的比例，实现畴的最平顺切换路径，在保持最大极化的同时最小化极化滞后。结果表明，随着弛豫体系化学复杂度的增加，极化无序程度加剧，诱导的多态PNRs极大地优化储能性能的同时也可以实现优越的温度不敏感性。

此外，由于组织结构均匀致密，平均晶粒尺寸呈指数级降低，反复轧膜工艺（RRP）增强了击穿场强Eb这一关键参数，使得该体系同时保持了与铅基陶瓷相当的超高W_rec值10.28 J·cm^-3和η值（97.11%），优于目前报道的其它无铅体系，特别是其能量损耗极低。此外，该陶瓷在宽温范围（25-200 ℃）内具有较高的性能和稳定性（W_rec~6.35±9% J·cm^-3，η~94.8%±3%），如图2所示。这些结果表明，这种多组元设计可以被认为是开发下一代高性能储能应用RFEs的可行范例，并可能引起研究人员对其它领域材料设计的普遍兴趣。

科研成果

论文题目

《一种近零能量损耗的无铅高温陶瓷电容器》

（A High-Temperature Performing and Near-Zero Energy Loss Lead-Free Ceramic Capacitor）

发表期刊

《能源环境科学》

（Energy & Environmental Science）

论文链接

https://doi.org/10.1039/D3EE01545A

文章作者

该工作以西安交通大学为唯一通讯单位，电信学部电子学院博士生李达为第一作者，电子学院周迪教授、电子学院徐谛明助理教授和前沿院王栋教授为共同通讯作者。

授团

张彦峰教授团队提出

“分子阻塞”超分子机制  构建模量

可调高阻尼抗冲击有机凝胶材料

耗温介质瓷电容器

研究背景

近年来，凝胶材料因其灵活可调的力学特性和丰富的功能，受到了各领域研究者的极大关注。然而，凝胶材料往往因溶剂的迁移而具有较低的稳定性，容易溶胀或干燥变形，已经成为制约凝胶材料深入应用的瓶颈难题。尽管已经开发了多种策略来提高凝胶的稳定性，然而，从热力学角度来看，如果凝胶中溶剂的含量偏离了聚合物的平衡溶胀状态，溶剂将不可避免的发生迁移。因此，若要准确控制凝胶中的溶剂含量，保持高稳定性，需要有效抑制溶剂迁移的动力学过程。

科研创新

图1 基于“分子阻塞”超分子机制的有机凝胶构建思路

机械互锁作用通过分子结构中的几何关系将不同的分子连接起来，这使得非共价连接的分子，能够保持稳定的聚集状态。西安交通大学化学学院“智能高分子”团队吴宥伸副教授和张彦峰教授，从机械互锁超分子原理中汲取灵感，提出了“分子阻塞”超分子机制，利用溶剂分子与交联网状结构之间的尺寸差异带来的阻滞，有效抑制溶剂在凝胶内的迁移。

通过设计和合成分子尺寸超过1.4 nm的液态支链柠檬酸酯(branched citrate ester, BCE)，并将这种大体积分子作为溶剂与交联聚脲原位聚合，制备获得系列新型“分子阻塞”凝胶。由于大体积BCE溶剂和交联网络的网孔尺寸相当，溶剂难以穿过交联聚合物移动，有效抑制了溶剂的长程迁移。“分子阻塞”凝胶具有与普通聚合物或弹性体相媲美的卓越稳定性，可储存10个月而无任何形貌或力学性能改变，并能耐受高温烘烤，保持质量和性能的稳定。

图2 “分子阻塞”有效限制溶剂迁移

基于良好的稳定性，通过精确控制凝胶内溶剂含量，可实现凝胶材料强度、韧性、断裂伸长率等力学特性的连续调控。特别是“分子阻塞”凝胶的杨氏模量能够在1.3 GPa至30 kPa的大范围内连续调控，变化幅度达到创纪录的43000倍，有效覆盖了现有交联树脂、塑料、弹性体和凝胶的范围。

图3 大范围内材料模量的连续调控与高阻尼特性

同时，“分子阻塞”效应作为一种非共价耗散机制，赋予了凝胶材料独特的粘弹性力学特性，使其具有高阻尼，在全模量调控范围内的阻尼系数大于0.3，最大阻尼系数达1.8；在10000 s^-1的分离式Hopkinson压杆测试中，最大冲击韧性达到40.68 MJ m^-3，达到和超过了商业化的聚氨酯和聚脲材料。具有超低模量和超高阻尼的“分子阻塞”凝胶可有效保护鸡蛋从1米高处掉落而不发生破裂，高强度“分子阻塞”凝胶可保护陶瓷装甲经受步枪射击6次而不发生碎裂，充分验证了这一类材料在冲击防护领域的应用潜力。

图4 “分子阻塞”凝胶优异的阻尼抗冲击效果

科研成果

论文题目

《一种新型“分子堵塞”有机凝胶，具有优异的溶剂保持性、可调模量和先进的冲击防护机制》

（Molecular Clogging Organogels with Excellent Solvent Maintenance, Adjustable Modulus and Advanced Mechanics for Impact Protection）

发表期刊

《先进材料》(Advanced Materials)

论文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202306882

文章作者

西安交通大学化学学院为第一单位，西安交通大学生命学院为合作单位。论文第一作者为化学学院吴宥伸副教授，论文通讯作者为化学学院副院长张彦峰教授。

丁书江教授团队

首次利用多重动态键构建

集成式正极/超薄聚合物电解质的全固态锂电池

研究背景

全固态锂电池具有高比能、高安全性、高可靠性、长寿命、可柔性化等优点，在柔性电子器件、电动汽车、航空航天等领域具有巨大的储能应用价值，是未来储能电源发展的重要方向。然而，全固态锂电池有限的固态电解质-电极界面接触导致界面处不连续的离子传输和较大的界面阻抗，最终造成较差的电化学性能甚至电池性能过早劣化。如何有效解决固态电解质与电极固有的界面接触问题是全固态电池锂电池进一步发展的关键科学问题。

科研创新

聚合物固态电解质因其质轻、柔性、易加工、安全可靠以及价格低廉等优势，在实现高比能、长循环和高安全的全固态锂电池实际应用中具有巨大潜力。近期，西安交通大学化学学院丁书江教授团队在前期设计的动态超分子离子导电弹性体（DSICE）材料基础上，发展了多重动态键驱动全固态锂电池正极/聚合物电解质一体化的新策略，构建了集成式正极/超薄聚合物电解质的全固态锂电池（图1）。

图1 集成式正极/超薄聚合物电解质全固态锂电池的结构表征

经精细结构设计的动态超分子离子导电弹性体具有优异的电化学性能和力学性能。

首先，将动态超分子离子导电弹性体用于固态电解质。有效的锂离子传输有利于锂负极界面处均匀沉积，强而韧的力学性能有利于电解质与锂负极产生共形接触，提高锂负极的稳定性，同时可构建超薄（12μm）的聚合物电解质。

其次，将动态超分子离子导电弹性体用于磷酸铁锂正极粘结剂。快速的锂离子传输能力促进电极材料内部的离子传输，多重氢键作用增强电极颗粒间的黏附力。

最后，固态电解质和磷酸铁锂复合正极在动态超分子离子导电弹性体中多重动态键（包括动态二硫键、单重氢键以及四重氢键）驱动下形成一体化的正极/聚合物电解质结构，实现了聚合物电解质和电极界面的分子级融合，且组装的集成式正极/超薄聚合物电解质全固态锂电池表现出小的极化电压和界面阻抗、高的比容量和倍率性能，以及良好的循环稳定性。

该工作从聚合物分子结构设计角度为全固态锂电池中固有的电解质-电极界面接触问题提供了一种新的解决策略。

科研成果

论文题目

《多重动态键构建稳定的集成式正极/超薄聚合物电解质的全固态锂电池》

（Multiple Dynamic Bonds-Driven Integrated Cathode/Polymer Electrolyte for Stable All-Solid-State Lithium Metal Batteries）

发表期刊

《德国应化》（Angewandte Chemie International Edition）

论文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202307255

文章作者

西安交通大学化学学院为第一通讯单位，第一作者是西安交通大学陈晶博士，唯一通讯作者为西安交大化学学院丁书江教授。

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文 / 陕西日报 电信学部 化学学院  

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