课题组致力于发展以绿色环保、高安全、长寿命、高比能为主要特征的新型储能技术。主要基于水系及混合电解液、固态电解质和无机储能材料的设计与制备、电池反应新机理、新体系的研究与探索等，以及关联的储能电池器件研制和工程化应用。

　　一、(准)固态电解质的设计及应用

　　主要研究内容：

　　1、碱金属离子电池固态电解质的设计；

　　2、柔性固态水系电池的结构设计与研制；

　　3、固态/柔性/水系电解质界面电化学研究。　　

 

　　研究成果：

　　1、无机盐强化锌离子固态电解质体系

　

　　该新型固态电解质体系通过无机盐增强效应来提高电解质力学性能，电解质抗拉强度可以达到2.78 MPa,是同类已报道中抗拉强度最高，电导率高达20 mS/cm，能有效抑制枝晶生长，锌负极能在5mA/cm²的电流密度下循环400小时。

　

　　2、 海藻酸钠-聚丙烯酰胺双交联网络固态电解质体系

　　

　　该固态电解质采用双交联网络结构和锌离子增强效应来提升力学性能，增强的电解质其抗压和抗拉强度分别达到达16 MPa和674 KPa；并且固态电解质还能通过固水作用有效稳定正负极界面，全电池循环可达10000次以上。

　　

　　3、柔性固态水系电池的结构设计

　　

　　利用固态电解质的柔性特征，组装三明治结构柔性电池，该电池具有良好的柔性，能任意角度弯折；并且在各种工况下（弯折、剪切、浸泡等）能稳定工作。开拓了水系电池在柔性可穿戴领域的应用前景。

　　

　　二、新型电解液设计与探索

　　主要研究内容：

　　1、新型醚-水杂化电解液设计；

　　2、聚合物电解质设计及界面稳定化研究；

　　3、具有高分解电压和宽温域的水系电解液。

 　　

　　研究成果：

　　1、新型醚-水杂化电解液设计

　　通过调控Zn²⁺溶剂化结构，引导Zn²⁺沿(002)定向沉积，构筑稳定，高效的锌负极/水系电解液稳定界面（600h, CE=99.8%）。 

　　

　　2、聚合物电解质设计及界面稳定化研究

　　

　　设计固态电解质-电极兼容界面，利用其低含水量及高强度特性抑制枝晶生长，同时扩展了在柔性储能器件中的应用。

 　　

　　3、具有高分解电压和宽温域的水系电解液

　

　　该电解液体系中，通过引入环丁砜这种双功能(抑制水分解、水凝固)的抑制剂，成功的将电解液窗口拓宽至3.8 V，并将电解液的熔点降低至-110 。该电解液在正、负极分别为LiMn₂O₄/Li₄Ti₅O₁₂的电池体系中表现出优异的电化学性能。该电池能在-20 时保持优异的循环稳定性，甚至能在-65 时点亮激发电压为1.8 V的LED。

 

　　三、新型储能材料与新反应机理的探究

　　主要研究内容：

　　1、锌离子正极材料设计；

　　2、镁离子正极材料设计；

　　3、硫化物储能材料研发及应用。

 

　　研究成果：

　　1、锌金属电池用新型锰基配合物正极材料设计

　

　　羧基聚合物配体在近中性电解液中稳定Mn³⁺，实现了Mn³⁺/Mn²⁺的高电压氧化还原反应(1.67 V)，较传统Zn//MnO₂电池提升24%。同时展现出优异的循环稳定性（4000次）。

 　　

　　2、MnO₂/CNTs 分级组装纳米微球

　　高导电性CNTs网络与MnO₂纳米纤维协同作用实现高速可逆离子脱嵌，展现出优异的长周期循环稳定性（10000次）。

 　

　　3、高比表面积中空海胆状MnO₂

　

　　中空海胆状特殊结构缓解离子脱嵌产生的结构应力，提高循环稳定性。高比表面积提高反应活性，实现优异的倍率性能。

　

　　4、锰氧化物&可逆相变锌盐

　　电极过程中发生可逆相变的无机锌盐与KNMO材料复合，原位造孔并维持pH稳定，显著提升倍率性能和循环稳定性(5000次)。

 

　　5、三维花状MgMn₂O₄微米球

　　水活化和纳米流体效应提升电极反应过程动力学和材料结构稳定性。电极展现出高比容(194 mAh g^-1)和优良的循环稳定性(16000次)。

 

　　6、具有优异循环稳定性的高电压水系金属硫化物电池

　

　　Cu-Ag₂S电池可以稳定循环9000次，且极化仅为50 mV，是目前循环寿命最长，极化最低的水系金属硫化物电池，这是由于硫化银具有良好的导电性，反应过程中体积膨胀小，消除了硫化物的穿梭效应。

 

　　四、新型高电压高比能电池设计与反应机理探索

　　主要研究内容：

　　1、具有双溶解沉积反应的酸碱混合高电压水系电池；

　　2、高浓盐络合电解液设计；

　　3、溴离子介导的乙酸盐缓冲型电解液设计；

　　4、无膜无液流锌溴电池设计；

　　5、高浓度氯基电解液液相反应设计；

　　6、亲/疏水平衡的高强锌离子电池隔膜设计；

　　7、物理-化学-电化学耦合的高稳定界面实现长效水系锌金属电池。

 

　　研究成果：

　　1、 具有双溶解沉积反应的酸碱混合高电压水系电池

　　该体系中采用双极膜将酸-碱双电解液分开，成功将电解液窗口拓宽至3 V，此外电池正负极反应均为溶解/沉积反应(负极：Zn/Zn(OH)₄^2-;正极：Mn²⁺/MnO₂)，因而也赋予了正负极高达616和820 mAh g^-1的理论比容量。电化学测试表明，该新型水电池具有较高的库伦效率(98.4%)和优异的循环性能(循环1500圈后容量保持率为97.5%)。此外，基于这种新体系构建的液流电池可以循环6000次且容量保持率为99.5%。

 

　　2、高浓盐络合电解液设计

　

　　利用NH₃与Zn²⁺及Mn²⁺络合作用实现Zn/Zn²⁺，Mn²⁺/Mn₃O₄双电解反应。同时NH₄₊-NH₃构成的缓冲对能够稳定界面pH波动，实现再1 mA h cm^-2面载量下4500圈稳定循环。

 

　　3、溴离子介导的乙酸盐缓冲型电解液设计

　　溴离子介导乙酸盐缓冲电解液设计实现Mn²⁺/MnO₂双电子转移反应，比容量高达616 mAh g^-1，并且展现出优异的倍率性能（32C）。

　　

　　4、无膜无液流锌溴电池设计

 

　　开发了含LiCl添加剂的高浓度ZnBr₂（20M）作为无膜无液流锌溴电池的新型电解液，电解液的高粘度抑制了溴离子的穿梭效应，同时低水含量进一步降低了溴与锌的反应。LiCl添加剂的引入不仅抵消了高电解质粘度导致的电导率降低，而且通过调节锌突起上的电场强度来抑制锌枝晶的生长。该锌溴电池具有较高的库伦效率（98%）与能量效率（88%），此外锌负极的稳定性设计使电池可以稳定循环2500次。

 

　　5、高浓度氯基电解液液相反应设计

 

　　通过金属卤化物络离子的独特增溶作用，以低成本的氯盐构建了高浓度氯基电解液，使氯氧化还原在室温下库伦效率达到96.0%以上。与锌负极组装双离子电池展现出2.02 V的超高工作电压和超过4000次循环的良好稳定性。

 

　　6、亲/疏水平衡的高强锌离子电池隔膜设计

 

　　团队设计了一种新型无机/有机混合P/FS-Z隔膜。通过精细平衡的亲水性和疏水性，P/FS-Z隔膜表现出更平衡的传质能力和可控的界面反应，受益于Zn²⁺的去溶剂化、电解质的pH值调制和界面的疏水/亲水性三个方面的调控。新开发的 P/FS-Z 隔膜可实现高达12000 mAh cm^-2的超高累积沉积容量，并在 80% Zn DOD 下实现 700 小时的创纪录长循环寿命。此外，Zn||MnO2全电池在1 A g-1电流下显示出244 mAh g^-1 (MnO₂)的高比容量，全电池可稳定循环2000次，容量保持率为97.23%。更令人印象深刻的是，P/FS-Z 隔膜由于其固有的高机械强度和电化学稳定性而完全可回收。相关工作成果发表在国际能源类顶级期刊Energy & Environmental Science, 2023, DOI: 10.1039/d3ee01575k，第一作者为2021级博士生姚凌波。

 

　　7、物理-化学-电化学耦合的高稳定界面实现长效水系锌金属电池

　　围绕电解液界面调控，原位构建出物理-化学-电化学三方面协同调控的无机/有机界面SEI层，通过将有机离子液体（EMIMBF₄）引入无机水系电解液体系，其中阳离子EMIM⁺能在金属电极表面优先发生物理吸附，从而屏蔽尖端效应；阴离子BF_4-通过原位化学反应生成无机ZnF₂ SEI膜；实现了Zn(002)优势晶面的均匀电化学沉积，抑制了锌负极的界面电化学腐蚀等副反应，赋予了锌金属电池大沉积量下的长循环稳定性以及近100%的高库仑效率，满足大容量储能电池工程化应用。相关工作成果发表在Journal of Materials Chemistry A, 2023, DOI: 10.1039/D3TA03501H。

 

　　五、新型钠离子电池材料设计与电解液体系探索

　　主要研究内容：

　　1、用于高性能钠离子电池的锰基三元NASICON正极

　　2、均衡电解液设计实现长寿命钠离子电池

 

　　研究成果：

　　1、 用于高性能钠离子电池的锰基三元NASICON正极

　　利用Cr³⁺半径(0.615 ？)与Ti⁴⁺半径(0.605 ？)极为接近的特点，在宽含量范围内设计合成了一种Mn基三元NASICON正极Na_3.5MnTi_0.5Cr_0.5(PO₄)₃ (NMTCP-50)。理论计算和实验结果表明，由于三元过渡金属的协同效应，NMTCP-50具有高氧化还原活性和快速的电荷转移动力学，在25 mA g^-1和2 A g^-1 的电流密度下分别实现了137.6 mAh g^-1 和 81 mAh g^-1的高容量。此外，未参与电化学反应的Cr³⁺的钉轧效应为材料提供了坚固的框架结构并缓冲了充放电过程中的体积变化，从而实现了5000次的稳定循环。为了进一步验证NMTCP-50的实用性，与商业硬碳负极(HC)匹配组装了全电池，NMTCP-50//HC 全电池表现出优异的电化学性能，在20 mA g^-1 的电流密度下比容量为138.3 mAh g^-1，能量密度高达410 Wh kg^-1，与一些层状氧化物相当。且在0.2 A g^-1下循环500次容量保持率为94.5%。该文章以” A Mn-based ternary NASICON-type Na_3.5MnTi_0.5Cr_0.5(PO₄)₃/C cathode for high-performance sodium-ion batteries”发表在期刊Energy Storage Materials上。

 

　　2、具有高分解电压和宽温域的水系电解液

　　提出普鲁士蓝中稳定的间隙水是实现其长循环寿命的关键，设计了均衡电解液，有效的解决了普鲁士蓝循环稳定性差的问题。成功的讲普鲁士蓝的循环寿命提升至10000圈。另外，其和磷酸钛钠组成的全电池也实现了7000次的长循环。