研在合工大 | 材料、能源、智能车辆等领域研究进展

近期科研进展一览

高性能锂离子电池硅基负极研究领域

钙钛矿太阳能电池性能研究领域

电动汽车充电调度研究领域

智能车辆领域学术专著出版

高性能锂离子电池硅基负极研究领域

材料科学与工程学院锂/钠电池材料与安全技术团队在高性能锂离子电池硅基负极研究领域取得新进展，相关研究成果以“In-Situ Artificial Hybrid SEI Layer Enabled High Performance Prelithiated SiO_xAnode for Lithium-Ion Batteries”为题发表在国际知名期刊Advanced Functional Materials上（Adv. Funct. Mater., 2023, 202303020.）。

氧化亚硅（SiO_x）具有高理论比容量、合适的工作电位和低成本等优势，是下一代锂离子电池高容量负极材料的有力候选者。与纯硅材料相比，SiO_x在长期循环中的体积变化可以被初始锂化过程中形成的硅酸盐和氧化锂所缓冲。但是这些不可逆的缓冲物质也消耗了电池中的活性Li⁺，导致首次库仑效率（ICE）下降。通过预锂化策略可以有效补偿初始循环中的锂损失，大幅提升ICE。然而，随着预锂化程度的加深，SiO_x中生成的锂硅合金（Li_xSi）会对电极界面和电极结构的稳定性带来巨大挑战，从而影响电池的循环寿命。

Li₃Sb/LiF人工SEI界面层改性的SiO_x负极

该研究通过调控SiO_x电极的预锂化深度，利用电极自身还原性在表面原位构建了Li₃Sb/LiF人工SEI界面层，其有效抑制了SiO_x颗粒在充放电过程中的体积变化并均匀化应力分布，避免颗粒破碎和电极结构崩塌。同时，基于理论计算和实验结果表明界面层具有较低的锂离子扩散能垒，能够增强Li⁺在电极/电解液界面的扩散动力学。界面优化改性后的SiO_x负极半电池ICE高达94.5%，其在0.5 C循环200次后仍具有77.4%的容量保持率。其与高容量NCM811正极组装的全电池ICE达到86.0%，在0.5 C循环100圈后实现了86.6%的容量保持率。这项工作为合理设计SiO_x的结构和表面特性以实现高能量和长循环的锂离子电池提供了新思路和新方法。

该项研究工作得到了国家自然科学基金、安徽省杰出青年科学基金、安徽省重大专项和安徽省重点研发计划等资助，孙毅讲师为第一作者，硕士研究生张宽信为第二作者，项宏发教授为通讯作者，合肥工业大学为唯一通讯单位。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202303020

钙钛矿太阳能电池性能研究领域

光电技术研究院吕梅、朱俊、丁运生研究团队在钙钛矿太阳能电池研究领域取得新进展，相关研究成果以“Multifunctional Cross-linked Polyurethane Polymer as Interface Layer for Efficient and Stable Perovskite Solar Cells”为题在材料学领域的著名期刊《Advanced Functional Materials》（Advanced Functional Materials, 2023, DOI: 10.1002/adfm.202302162）上在线发表。光电技术研究院朱俊研究员的硕士研究生姚恒大为第一作者，朱俊研究员、吕梅博士和丁运生教授为论文的通讯作者。

在过去的十余年里，钙钛矿太阳能电池取得了长足进展。而在进一步提高钙钛矿太阳能电池的光电转换效率和稳定性中，界面层至关重要。聚氨酯作为一种常见的聚合物材料，常被用作钙钛矿太阳能电池制备过程中的添加剂，但其作为有效界面层的报道有限。研究团队通过聚氨酯和1,6-二碘己烷的自发季铵化反应，设计并合成了一种多功能交联聚氨酯。与普通聚氨酯相比，通过季铵化工艺获得的交联聚氨酯具有多种官能团和优异的耐水性，有望改善钙钛矿太阳能电池的光电转换效率和稳定性。

研究团队将交联聚氨酯前驱体溶液旋涂到钙钛矿层上，其自发交联形成多功能界面层，这种界面后处理可以诱导钙钛矿薄膜的二次结晶。同时，因为交联聚氨酯分子链中存在多个含N和O的官能团，可作为路易斯碱为未配位的Pb²⁺提供孤对电子，有效地减少了钙钛矿薄膜的非辐射复合中心，改善了电池的光伏性能。通过这种策略，制备了具有优异重复性的Cs_0.05FA_0.95PbI₃太阳能电池。电池的开路电压为1.11 V，短路电流密度为25.69 mA/cm²，填充因子为0.81，光电转换效率达到23.14%。此外，交联聚氨酯可以阻止水分子透过空穴传输层破坏钙钛矿层，未封装的器件在35%的相对湿度下仍能稳定运行3000小时，显示出优异的稳定性。这项研究为设计高性能和高稳定性的钙钛矿太阳能电池提供了新思路。

该项研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校业务费、安徽省重大科技专项等经费支持。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202302162

电动汽车充电调度研究领域

汽车与交通工程学院车辆工程系武骥老师在电动汽车充电调度研究领域取得新进展，相关研究成果“Electric vehicle charging scheduling considering infrastructure constraints”在能源类国际著名学术期刊《Energy》上发表。车辆工程系硕士研究生苏昊为第二作者，中国科学院福建物质结构研究所林名强副研究员为通讯作者，西安交通大学孟锦豪副研究员为合作作者。

电动汽车的快速发展受到了两个主要因素的制约，即大规模电动汽车充电对电力系统稳定运行所带来的负面影响以及当前电动汽车充电基础设施的不足。在充电站的充电桩数量和最大瞬时功率限制情况下，如何对电动汽车进行高效的充电调度，同时降低用户充电成本，是电动汽车应用中一项亟待解决的问题。为此，武骥等提出了一种响应分时电价的电动汽车充电调度策略，建立了以最小化用户充电成本为目标、以充电站充电桩数量和最大瞬时功率的限制等为约束条件的最优化问题模型。

首先，该研究选择了某市31天内的876012组用户历史充电数据作为研究对象，分析电动汽车充电行为的特性，并运用蒙特卡罗方法对用户的充电行为进行建模和仿真；随后，为每辆电动汽车分配了一个能够满足其充电需求的充电桩，并利用自适应遗传算法对充电功率进行优化。实验结果表明，在确保充电站安全运行的前提下，与常见的调度策略，如电动汽车即停即充以及不考虑最大瞬时功率限制的策略相比，本文提出的方法能够为用户节约近34.06%的充电成本，并且还可以协助充电站实现削峰填谷的功能。

本研究得到了国家自然科学基金和安徽省科协青年科技人才托举计划的支持。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0360544223012008

智能车辆领域学术专著出版

汽车与交通工程学院陈无畏教授、汪洪波副教授、赵林峰副教授和合肥学院王慧然博士撰写的《智能车辆可拓控制技术及应用》学术专著获批2022年国家科学技术学术著作出版基金资助，于2023年3月在科学出版社出版发行。该书深入探讨了智能车辆中的可拓控制技术及其应用方面的研究内容，包括可拓控制理论基础、智能车辆高级辅助驾驶系统可拓控制、车辆底盘集成系统可拓控制、分布式驱动电动车辆稳定性可拓控制等。

针对智能车辆动力学与控制的基础理论与技术问题，陈无畏教授研究团队进行了20余年的基础与产学研合作研究，取得了系统性研究成果。先后出版《汽车系统动力学与集成控制》（科学出版社）、《智能车辆主动安全与控制技术》（科学出版社、国家科学技术学术著作出版基金资助）、《Integrated Vehicle Dynamics and Control》（WILEY出版社）、《智能车辆容错控制技术及应用》（科学出版社、系统与控制丛书），畅销本领域。

来源 | 材料科学与工程学院 光电技术研究院

汽车与交通工程学院

封图 | 林舒灿

编辑 | 付然然

责编 | 王露卿 卫婷婷

投稿邮箱 | [e-mail]

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