面向世界科技前沿 | 浙工大陶新永教授团队在高比能锂金属电池方面取得新进展

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开发高能量密度、高安全性和长循环寿命的锂二次电池是当前储能领域的研究热点，也是面向电动汽车、智能电网以及分布式储能等重大需求的关键技术。高能量密度的实现依赖于关键电极材料的发展。金属锂（Li）作为锂二次电池负极材料中的“圣杯”，具有十倍于传统石墨负极的理论容量（ 3861 mAh/g vs. 372 mAh/g）和最低的电化学势（-3.04 V vs 标准氢电极），被广泛认为是未来高能量密度锂电池的理想阳极候选材料。但其不稳定的电极-电解质界面所带来的锂枝晶生长会导致电池短路、起火等严重安全问题，限制了其在锂金属电池的实际应用。构建稳健的人工固体电解质界面相（SEI）可以有效调节Li沉积行为，避免枝晶带来的安全隐患，但其引入会不可避免地增加电池的总体质量，进而降低能量密度。从兼顾高能量密度和高安全性的角度出发，需要设计和开发轻质高强的人工固体电解质界面相，而这一直是领域的难点。

TPMS结构引入电池结构示意图

有鉴于此，浙江工业大学材料科学与工程学院陶新永教授/刘育京教授团队联合伊比利亚国际纳米技术实验室郭天祺研究员创造性地将大自然上亿年进化的天然结构——海胆骨架中的三周期最小表面结构（TPMS）引入到金属锂阳极界面的三维结构设计中。所开发的具有TPMS结构的聚氟乙烯-六氟丙烯（PVDF-HFP）界面层能以最小质量提供最高模量，兼顾了高孔隙率、高模量、轻质量这三重本征性质，既可快速导锂抑制锂枝晶的形成，又可物理抑制枝晶的穿刺，同时能有效降低电池引入质量从而大幅提高能量密度，在节省50wt.%引入质量的前提下实现全电池0.002%/圈极低放电容量衰减率的长寿命循环，为突破现有电池技术安全性与能量密度“鱼与熊掌不可兼得”的瓶颈提供了一种可行的技术方案。TPMS结构高度适用于规模化3D打印，有望构筑超高安全性、超长寿命、超高比能的轻质高模电池新体系。

配备PVDF-HFP (TPMS)的

半/全电池性能及电芯能量密度增效

相关研究以“A Triply-Periodic-Minimal-Surface Structured Interphase based on Fluorinated Polymers Strengthening High-energy Lithium Metal Batteries”为题于2024年3月5日发表在《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition），浙江工业大学为第一单位，马聪博士和邹世辉教授为共同第一作者，郭天祺研究员，陶新永教授和刘育京教授为共同通讯作者。研究得到了国家重点研发计划（2022YFB3807700）、国家自然科学基金（52225208、51972285、U21A20174、52171225、52102314）和浙江省领军创新创业团队引进计划（2020R01002）的资助。

原文链接：

https://doi.org/10.1002/anie.202402910

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刘育京

材料科学与工程学院

学术副院长

教授，博士生导师

入选国家级青年人才项目

本科毕业于浙江大学竺可桢荣誉学院，浙江大学高分子材料博士学位。主要研究方向为高比能二次电池功能复合界面的纳米尺度结构演变规律与调控机制。

以第一作者/（共同）通讯作者身份在Science, Nat. Commun., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Acc. Chem. Res., Adv. Funct. Mater.等国际知名学术期刊上发表研究论文53篇，共发表论文126篇，1篇入选中国百篇最具影响国际学术论文，13篇入选ESI高被引论文，H因子42，被引用5000余次（Google Scholar）。主持国家自然科学基金面上、青年科学基金、浙江省自然科学基金重点等项目。曾获浙江省优秀博士学位论文提名论文奖。

2021年主讲的《青年科学家“跟着总书记学思维”》之创新思维，被中宣部评为全国优秀理论宣讲微视频。2020年获第五届全国高校青年教师教学竞赛工科组一等奖（全国前五名），2019年获浙江省第十一届高校青年教师教学竞赛工科组特等奖第一名，2023年获全国高校教师创新大赛新工科正高组二等奖，2023年获浙江省高校教师创新大赛新工科正高组特等奖。现任浙江省材料研究学会理事，浙江省复合材料学会理事。

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陶新永

科学技术研究院副院长（主持工作）

教授

博士生导师

博士毕业于浙江大学，先后加入美国南卡大学、斯坦福大学从事博士后、访问学者研究。

国家杰出青年科学基金、国家优秀青年科学基金、浙江省杰出青年基金获得者，获教育部“新世纪优秀人才支持计划”、浙江省“钱江高级人才”计划支持，入选浙江省“151人才工程”第一层次、浙江省“高校领军人才培养计划”创新领军人才。

连续多年入选斯坦福大学公布的“终身科学影响力排行榜”和科睿唯安“全球高被引科学家”。近年来主持国家自然科学基金5项（杰青、联合基金、优青和面上）和省部级项目7项，长期致力于高比能二次电池材料研究，在生物质碳材料可控及宏量制备、硫碳复合正极材料设计、高性能金属锂负极材料设计、高比能钠基电池开发等方面具有丰富的研究经验和工作积累。

以第一或通讯作者在Science、Nature、Nat. Energy、Nat. Commun.等国际顶级期刊上发表200余篇；论文共被引用22327次，入选ESI高被引论文23篇，H因子为76；获授权发明专利42项；合作编写英文书籍章节2章；应邀作国际会议邀请报告30余次；应邀担任IEEE-NANO 2013国际会议分会主席、中国化学会第31届年会中新澳青年化学家论坛主席。担任Nature、Science、Nat. Energy、Nat. Nanotechnol.、Nat. Commun.等国际知名期刊审稿人或仲裁人。

 往期回顾 

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来源 | 材料学院

排版 | 张赛萍

编辑 | 许维婷

审核 | 王剑斌 陈微微