学术名人堂：中科院化学所郭玉国研究员

Original 科研百晓生研之成理 2021-12-21

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郭玉国，中科院化学所研究员，中国科学院大学岗位教授，H-index：61

邮箱：ygguo@iccas.ac.cn

课题组主页：http://mnn.iccas.ac.cn/guoyuguo/

基本情况介绍

1994-1998青岛大学，获学士学位
1998-2001青岛大学，获硕士学位（2000.2-2001.7北京大学化学与分子工程学院访问研究）
2001-2004中国科学院化学研究所，获博士学位
2004-2006 Max Planck Institute for Solid State Research (德国马普固体研究所)，Postdoc
2006-2007 Max Planck Institute for Solid State Research，Staff Scientist
2007入选中科院化学所“引进国外杰出青年人才计划”
2007-今：中国科学院化学研究所研究员，课题组长，博士生导师
2015.3-今：中国科学院大学，岗位教授

所获荣誉

汤森路透评选为“高被引科学家”（2014、2015和2016）
国际电化学委员会2014 ISE Tajima奖（2014）
第十三届中国青年科技奖（2013）
亚洲化学学会联合会(Federation of Asian Chemical Societies)
杰出青年化学家奖（2013）
IUPAC江教授新材料奖（2013）
国家杰出青年科学基金（2012）
中央组织部“万人计划”首批青年拔尖人才（2012）
中国材料研究学会科学技术奖二等奖（排名第一）（2012）
美国国家地理新兴探索者（The National Geographic Emerging Explorers）（2012）
美国麻省理工学院《Technology Review》“全球杰出青年创新家TR35”（2011）
中国科学院在北京科技成果转化奖二等奖（排名第一）（2011）
中国电化学会青年奖（2011）
首届“SCOPUS寻找未来科学之星”纳米科学领域金奖（2009）
中国化学会青年化学奖（2008）

课题组概况

郭玉国老师课题组自2007年建组以来，在Nature Commun.、Acc. Chem. Res.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、NPG Asia Mater.、Energy Environ. Sci.等期刊上发表SCI论文180余篇，著有英文专著章节1章。发表论文被他人SCI引用14000多次，单篇他引最高超过1000次，目前SCI上的h-index为61。申请国际PCT发明专利12项，中国发明专利62项，已获授权25项，成果转化多项。获得国际/国内学术会议邀请报告50余次。目前课题组的主要研究方向包括：（1）纳米能源材料与电化学储能器件（锂离子电池、固态金属锂电池、锂硫电池、钠电池、镁电池等新型二次电池）（2）纳米体系离子、电子存储与输运（纳米固体离子学、纳米电化学）（3）功能纳米材料与纳米器件

论文分类总结

1. 锂离子电池电极材料设计及优化

代表作：J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 7874−7879; Adv. Mater., 2008, 20, 2878-2861; Adv. Mater., 2008, 20, 1160-1164; Adv. Mater., 2009, 21, 2710-2715; Adv. Mater., 2010, 22, 4591-4597；Energy. Environ. Sci. 2011, 4, 1634-1642

主要贡献：（1）利用水热反应，制备了钛酸锂纳米片负极材料和侧面包覆有金红石TiO₂的钛酸锂纳米片负极材料，金红石TiO₂包覆层沿Li₄Ti₅O₁₂[001]方向上原位生长，厚度为1纳米厚。金红石TiO₂包覆后，电极材料体系的界面电荷转移阻抗降低了一半，Li的传输能力提高了10倍。这一包覆的高效性在于金红石TiO₂仅存在于侧面，并未完全包覆钛酸锂纳米片，因此不会阻碍锂离子沿Li₄Ti₅O₁₂[110]方向的传输。

（2）制备出结构形貌可控的CNT@TiO₂纳米电缆，发现了新奇的“协同储锂效应”。一方面，CNT核为Li在TiO₂鞘壳中的存储提供了电子通道；另一方面，由于在CNT上包覆的介孔TiO₂层具有相对稳定的表/界面可以减少SEI膜的生成，从而为Li在CNT中的存储提供了快速离子传输通道，CNT本身的循环性能也因此而大大提高。

（3）设计并构筑出表界面稳定的同轴“纳米电缆”结构高容量Si基负极材料。成功实现了直接在Cu集流体上生长Cu@Si@Al₂O₃复合结构纳米电缆阵列。研究表明，Cu纳米线内核可以提供快速的电子传输并起到有效的结构支撑作用，Al₂O₃包覆层具有相对稳定的表/界面，可以减少SEI膜的生成。当该复合纳米电缆作为锂离子电池负极材料时，表现出优异的循环稳定性和较高的储锂容量

（4）利用了乳化沥青在多孔材料中的吸附特性和高温收缩特性，设计实现了一种大量SiO_X和石墨的复合结构，制备了高SiO_X含量（30%）的石墨复合物。多组分碳材料的协同效应解决了SiO_x颗粒导电性差和充放电过程中体积变化大的缺陷。以该材料作为负极材料，锂离子电子展现了优异的电化学性能。

图片来源：J. Am. Chem. Soc., 2012,134, 7874−7879

2. 锂硫电池

代表作：J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 2215−2218；Angew. Chem. Int. Ed.,2013, 52, 8363−8367；Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 13186−13200；Adv. Mater. 2014, 26, 1261−1265

主要贡献：（1）提出通过构筑链状小硫分子（S_2-4）和纳米孔道的空间限域效应实现非常规、亚稳态小硫分子的筛选和稳定化的思想，从根本上解决S₈与S₄^2-之间的转变过程中产生的这一多硫离子溶出问题。合成了具有特定孔尺寸（0.5 nm）的微孔碳基底，然后再负载硫。由于纳米孔道空间的限制，在引入硫的过程中即可实现从S₈分子到小硫分子的转化，制备出非常规小硫分子/碳复合正极材料。这种基于纳米孔道限域效应的非常规硫分子/碳复合正极材料在锂-硫电池中表现出很高的比容量、优异的循环稳定性及高倍率性能。

（2）将一维的链状硫分子限制在碳纳米管中，制得了研究链状硫分子电化学性能的模型体系。碳纳米管限域的链状硫使硫链在反应中缩短，电化学性能自发优化，而且反应接近于固相反应，从而有效避免了硫正极中间产物的溶出问题。在揭示了其循环稳定的内在机制的基础上，他们提出利用“双功能核-壳结构介-微孔碳载体”用于高效、稳定的高容量硫碳复合正极材料的理性设计方案。通过这一方案，既提高了硫的装载量，又有效限制了多硫化物的溶出，实现了可放大制备的硫正极材料技术解决方案

(3) 将小硫分子正极应用于钠-硫电池中，并配合钠负极和碳酸酯电解液组装出室温下即可工作的原型电池。由于该链状小硫分子室温下具有非常高的对钠电化学活性，放电过程中可完全被还原为Na₂S，从而使得其基于硫质量计算的正极首圈放电容量高达1610 mA h g^-1，是传统高温钠-硫电池中硫正极材料的理论容量的三倍。基于电极材料计算，该室温钠-硫电池的首圈放电比能量可高达955 W h kg^-1，循环200圈后仍可稳定在750 W h kg^-1左右。此外，该室温钠-硫电池还具有良好的倍率和循环性能。

图片来源：J. Am. Chem. Soc.2015,137, 2215−2218

3. 固态电池（锂负极，固态电解质）

代表作：Nat. Commun., 2015, 6, 8058-8060; Adv. Mater, 2016, 28, 1853-1856; Adv. Sci., 2017, 4,1600400-1600403; J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 5916-5918; J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 15825-15830; J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 6767-6770

主要贡献：（1）针对充放电过程中金属锂负极的不均匀溶解和沉积（即枝晶）问题，提出利用三维纳米铜集流体来引导金属锂在三维电极内部的均匀沉积与溶解的思想，成功实现了负极表面金属锂枝晶的控制。郭老师采用具有亚微米骨架、高比表面积的三维铜箔用于金属锂的沉积时，锂负极主要沉积在三维铜箔的孔道内（> 98%），电极表面锂枝晶的生长得到了有效抑制。相比于平整铜集流体上的锂负极，限制在三维纳米铜集流体中的金属锂负极可连续工作好几百小时以上而不短路，锂的沉积效率大幅提高；电池的寿命、稳定性和安全性也得到了显著提升。这一发现揭示了锂负极集流体的作用，对设计实用的金属锂负极具有重要的指导意义。

（2）为解决高面容量金属锂负极中枝晶生长以及循环稳定性差的问题，采用具有电化学活性的石墨化碳纤维作为多功能三维集流体，得到面容量高达8 mA h cm^-2且无枝晶的金属锂负极。由于石墨化碳纤维能降低局部电流密度并缓解体积变化，该负极在循环过程中表现出高库仑效率、低电压极化和长循环寿命

（3）为提高电池安全性并进一步解决液态电解液体系中的锂枝晶问题，设计并构筑了一类双功能互穿网络结构聚（醚-丙烯酸酯）固体电解质（图3），该固体电解质（ipn-PEA）集高机械强度（约12 GPa）和高室温离子电导（0.22 mS cm⁻¹）于一体，使锂的沉积/析出均衡进行。由于具有降低界面电阻和加速锂离子传输的双重作用，ipn-PEA电解质有效地抑制了锂枝晶生长，重塑了室温固态锂金属电池的可行性。

（4）将快离子导体Li1.4Al0.4Ti1.6(PO4)3(LATP)修饰于LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2(NCM622)正极材料表面，解决界面匹配问题。LATP的引入形成了Li⁺快速通道，明显降低了极化，提高了扩散系数，获得优异的界面动力学性能。LATP有效地平衡了化学势，削弱空间电荷层，引发界面处电势平缓降落，降低了极化，减轻了副反应，提高了循环稳定性和动力学性能。该设计为提升固-固界面稳定性和动力学性能提出了一种简便、有效的方案。

图片来源：J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 6767-6770

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