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新材料学院在《国家科学评论》发文阐述“结构基元”作为研发锂电池正极材料“基因”
日期:2019-11-27 15:24:11 来源:新材料学院 点击:
  能源和环境是人类赖以生存的物质基础,也是当今时代面临的两大问题。能源研究的核心是研发新型能源材料,提高能源利用效率和储能容量。锂离子电池作为清洁能源,被广泛应用于人工智能、电动汽车、无人机等前沿科技领域。然而,当前锂离子电池的能量密度、稳定性能和倍率性能,还远远不能满足科技快速发展的需要。手机电池爆炸、新能源汽车的安全隐患、无人机的续航时间短等问题困扰着新技术的进一步推广应用。正极材料是锂离子电池的核心部分,理想的正极材料应该具有能量密度高、充放电循环性能好、安全稳定、成本低廉、环境友好等特点。随着传统科研的逐步深入,材料的自身属性和设计机理成为这一领域研究的瓶颈。

图一:锂电池代表性正极材料中的结构基元
图中小圈表示结构基元,外圈是由这些结构基元之间排列组合形成的锂电池正极材料
  晶体材料最基本的结构基元是晶格原子及其配位环境, 它们按照一定的空间群结构进行周期性排列形成晶体。 例如所有锂离子电池的正极材料都是由锂离子,过渡金属离子,以及阴离子的结构基元组成。一般而言,结构基元中的成键相互作用以及电子结构决定了晶体材料的内在物理化学性质,就像生命体中基因的作用一样。最近,北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋教授、郑家新副教授应邀在《国家科学评论》(National Science Review)上共同撰写了总结与展望的观点文章“‘Structure units’ as materials genes in cathode materials for lithium-ion batteries”(2019文章链接:https://doi.org/10.1093/nsr/nwz178),分析了锂电池正极材料中的结构基元是如何决定了它们内在的物理化学性质(导电性、离子迁移、结构稳定性、热稳定性和电荷转移性质),起到“材料基因”的作用。他们提出从材料“结构基元”这一源头,不仅将帮助我们更好更深地理解材料内在的物理化学性质,还会为我们未来理性设计性能更好的电池材料提供指导,就如生命科学中的基因工程一样来调制材料中的基因(结构基元)。
图二 结构基元与锂电池物理化学性能的相关性
  该工作得到了国家材料基因工程重点研发计划,广东省重点实验室和深圳市科技创新委员会等项目的大力支持。