【直播】Nano Research Energy Webinars（第六期）

直播信息

活动名称

Nano Research Energy Webinars（第六期）

活动时间

2022年6月9日 (周四) 14:00

主办方

Nano Research/Nano Research Energy 编辑部

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报告人&报告简介

张强教授

报告人

张强，清华大学长聘教授。曾获得国家自然科学基金杰出青年基金、中国青年科技奖、教育部青年科学奖、北京青年五四奖章、英国皇家学会Newton Advanced Fellowship、清华大学刘冰奖、国际电化学会议Tian Zhaowu奖。2017-2021年连续五年被评为“全球高被引科学家”。其热爱科学和教育事业，善于根据学生的自身特点和成长路径，因材施教，引导其找到自身兴趣，百花齐放，共同成长。指导学生中8人获得清华大学特等奖学金，3人获得全国大学生课外学术科技作品竞赛特等奖等奖励。长期从事能源化学与能源材料的研究。近年来，致力于将国家重大需求与基础研究相结合，面向能源存储和利用的重大需求，重点研究锂硫电池的原理和关键能源材料。提出了锂硫电池中的锂键化学、离子溶剂复合结构概念，并根据高能电池需求，研制出复合金属锂负极、碳硫复合正极等多种高性能能源材料，构筑了锂硫软包电池器件。发表论文300余篇，h因子135，授权发明专利40余项。担任国际期刊Angew. Chem.首届顾问编辑、J Energy Chem, Energy Storage Mater副主编，Matter，化工学报等期刊编委。担任国家重点研发计划储能与智能电网专项专家组副组长。曾获得教育部自然科学一等奖、化工学会基础科学一等奖等学术奖励。

报告简介

我国提出力争2030年前二氧化碳排放达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。电化学能源是构筑太阳能-电能-氢能/动力/热能系统的新途径。发展基于锂离子的锂电池技术是电化学领域的长期关注的目标。采用理论与实验相结合的方法，系统地研究了多硫化物与氮掺杂碳材料之间形成的锂键的几何结构、键能、电荷分布、偶极等性质，提出锂键是一种偶极–偶极相互作用，并通过理论和实验核磁表征指认复杂体系中锂键的形成过程（图1）。

图1. 氢键与锂键的对比。（a）DNA分子中的氢键。（b）多硫化锂与掺杂碳材料之间形成的锂键。

虽然在锂电池中，锂键主要用于解释多硫化物与正极宿主材料之间的相互作用，但锂键的概念可以被广泛应用锂电池研究的各个方面（图2），也为锂电池的机理研究提供了一种新的视角。

图2. 锂电池中的锂键。

硫正极在充放电过程中会生成多种多硫化物。多硫化物在正极和电解液中的存在形式与结构是一个重要的科学问题。其中，锂原子和硫原子之间形成的S–Li–S锂键相互作用发挥着决定性的作用。锂键的特性也可以解释多硫化物的多元性与特殊性。比如，在THF、DMSO等溶剂中，相比于链状的Li2S8分子，环状的Li2S8分子可以形成更多的锂键，因而更加稳定。而且由于锂键的存在，多硫化物分子在电解液中倾向于形成团簇结构。相比于高阶多硫化物，低阶多硫化物分子容易形成更大的团簇结构。这也可以解释硫化锂和Li2S2具有较差的溶解度。

图3. 多硫化物和硫化锂几何结构。

在水溶液中，氢键的存在对质子的传递起着十分重要的作用。类似地，锂键可以调节锂离子在电解液中的输运行为。一方面，锂离子可以通过锂键形成溶剂化结构。锂键的形成可以调节锂离子在不同溶剂化壳层之间的传递。另一方面，锂键的形成可以调控电解液的稳定性。当溶剂分子与锂离子发生络合形成离子–溶剂结构时，其最低未占据轨道的能级会降低，从而更容易从外界得电子被还原。并且，在不同电解液中，锂键对溶剂分子稳定性的调控是具不同的。除了溶剂分子，阴离子也可以参与锂离子的溶剂化，形成不同的溶剂化结构。比如硝酸根离子可以连接两个溶剂化锂离子结构。因此，阴离子可以调节电解液中的锂键，改变电解液–负极界面化学。

氢键网络的形成在促进氢析出和氧析出反应中发挥着重要的作用。类似地，锂键可以调节锂的氧化还原行为。比如在锂金属负极，溶剂化的锂离子与负极骨架产生相互作用，同时发生去溶剂化作用。随后被还原，形成锂金属。在这一过程中，锂离子与溶剂分子和负极骨架之间形成的锂键的演变发挥着十分重要的作用。因此，我们可以通过调控负极骨架的亲锂性改变锂离子与负极骨架的锂键相互作用，从而调节锂离子的沉积行为。

图4. 负极骨架表面的锂形核过程。

本研究将锂键的概念引入到锂电池的研究中，并基于多硫化物与正极宿主材料相互作用的体系，系统地研究了锂键的几何结构、电子结构、键能、偶极等性质。希望锂键的概念在锂电池研究中取得更大的应用，因此将这一概念引申到电解液、锂金属负极等体系。基础原理上的新认识会更加清晰的认识自然界的本质，能够助力基于锂的化学电源探索和开发。

报告人&报告简介

邹如强教授

报告人

邹如强，北京大学长聘教授、博雅特聘教授、国家重点研发计划项目负责人，现任材料科学与工程学院党委书记，北京大学清洁能源研究院院长。主要致力于纳米多孔质结构能源材料研究，拓展其在电化学能源储存与转换、相变储能领域的应用。先后入选北京市科技新星、国家优秀青年科学基金、国家万人计划青年拔尖人才、长江学者青年学者、国家杰出青年科学基金、科睿唯安全球高被引科学家、全球前2%顶尖科学家等荣誉。发表SCI论文200余篇，专利10余项，书籍5章节。现任EnergyChem、National Science Open、Scientific Reports、中国化学快报等期刊编委，中国化学会能源化学专业委员会秘书长，中国材料研究学会纳米材料与器件常务副秘书长。 

报告简介

多孔材料因其高比表面积、结构稳定、丰富的表面化学环境等诸多优点，在电子、分子等输运方面具有不可替代的优势，因此在储能领域具有广泛的应用前景。碳基功能多孔纳米复合结构是近年来电化学能源存储与转化领域的研究热点，可有效解决电化学反应过程中电子的传导与电解质的高效输运路径的难题。本课题组设计和制备出系列具有分级孔道结构的多孔碳、单原子催化剂等金属-碳纳米复合结构，并开展了电催化反应和相变储能等领域的研究，该报告将总结近年来课题组关于功能纳米多孔材料在能源存储与转化方面的研究进展。

期刊介绍

作为Nano Research姊妹刊，Nano Research Energy (ISSN: 2791-0091; e-ISSN:2790-8119; Official Website: https://www.sciopen.com/journal/2790-8119)于2022年3月由清华大学创办，曲良体教授和香港城市大学支春义教授担任主编。Nano Research Energy是一本国际化的多学科交叉，全英文开放获取期刊，聚焦纳米材料和纳米科学技术在新型能源相关领域的前沿研究与应用，对标国际顶级能源期刊，致力于发表高水平的原创性研究和综述类论文。2023年之前免收APC费用，欢迎各位老师踊跃投稿。

Scope

Topics covered in the journal include:

• Solar energy

• Wind energy

• Wave energy

• Thermal energy

• Hydroelectricity

• Energy harvesting devices

• Fuel cells

• Hydrogen energy

• Bioenergy and biofuels

• Batteries

• Supercapacitors

• Electrocatalysis and photocatalysis

• Carbon capture and storage

扩展阅读

 

编辑：黄琦

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