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第一作者:杨琪

通讯作者:邱介山、杨琪

通讯单位:北京化工大学


近日,北京化工大学邱介山教授、杨琪副教授在Science China Chemistry 上在线发表题为“Functional carbon materials addressing dendrite problems in metal batteries: surface chemistry, multi-dimensional structure engineering, and defects”的综述,系统总结了功能碳材料的设计与构筑方法,指出功能碳材料的智造是解决金属电池枝晶问题的一个发展方向。


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直接用活性金属作负极的金属电池被认为是实现电池能量升级的一个有效解决方案,而金属枝晶问题是影响电池安全和寿命的瓶颈性难题之一,阻碍了金属电池的实际应用。功能碳材料(Functional Carbon Materials, 简记FCM)在保护金属阳极免受枝晶困扰方面显示出巨大的潜力。与其他材料相比,FCM具有良好的机械延展性、优异的化学稳定性、高比表面积和丰富的官能团,在电镀/剥离过程中为金属提供了足够的空间。FCM能够提供金属沉积空间、引导离子均匀传质和屏蔽枝晶,在抑制金属枝晶方面具有独特的本征优势。


图1 功能碳材料抑制金属电池枝晶的重要功能


成果简介

在这篇综述中,该团队基于分子化学工程的技术理念,在三个层面揭示了FCM在解决金属枝晶问题方面的内在优势。首先分析讨论了FCM表面化学的重要作用,包括调控并优化金属阳极和电解质之间的界面兼容性,及通过加速去溶剂化实现界面环境的稳定;其次,介绍了“多维碳材料工程”的概念,提出了通过调节/重新分配离子传质、均匀电场和缓解体积膨胀抑制枝晶的技术策略;然后,从缺陷对称性或随机性的角度,对长期存在的“FCM中的缺陷是否有利于金属枝晶抑制”之争议,给出了合理解释;最后,提出了用FCM解决金属电池枝晶问题的可能解决方案。


图2 功能碳材料“三位一体”强化去溶剂化抑制金属枝晶:电极/电解液界面、功能碳材料表面、功能碳材料孔内



通讯作者简介


邱介山,北京化工大学化学工程学院教授、院长、校学术委员会副主任,国家杰出青年基金获得者,教育部长江学者特聘教授,国务院政府津贴专家,国家“有突出贡献中青年专家”及国家“百千万人才工程”人选。主要从事功能碳材料的合成及应用、煤炭的高效高值精细化利用、能源化工等领域研究。多项技术实现产业化/规模化应用,提升了相关地区和行业的科技水平和实力,创造了良好的经济效益和社会效益。作为主要起草人之一,完成“煤焦化焦油加工工程设计标准”等国家标准的制定。在国内外学术刊物发表论文800余篇,其中700余篇论文发表在Nature Mater.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Adv. Energy Mater.、Energy Environ. Sci.、Nature Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、J. Am. Chem. Soc.、Joule等国际学术刊物上(其中,IF >10刊物论文370余篇,67篇论文被选为国际学术刊物封面),论文被SCI总引43000余次(单篇被SCI引用100次以上论文102篇),h指数101 (Web of Sci.),ESI高被引论文累计80余篇;煤基功能碳材料的研究论文数量(web of sci.),世界第一,引领了煤化学化工学科的前沿发展方向;申请及授权发明专利140余件。荣获教育部自然科学一等奖、辽宁省自然科学一等奖、中国颗粒学会自然科学一等奖、中国化工学会科学技术奖一等奖、中国发明协会发明创业奖创新奖一等奖、全国百篇优秀博士论文导师奖等奖励和表彰20余次。自2018年始,连续入选“科睿唯安”全球高被引科学家榜单;2019-2021年连续入选Elsevier中国高被引学者榜单(化学工程)。

杨琪,北京化工大学化学工程学院副教授、硕导,碳基能源材料化工研究团队学术骨干(学术带头人邱介山教授),长期从功能碳材料的合成及电化学工程应用研究,针对锌/锂/钠电池的枝晶与能量密度低等问题,结合功能碳材料开展了负极枝晶抑制与正极反应强化的系统研究。近五年发表高水平论文60余篇,其中第一/通讯作者论文20余篇(Adv. Mater. 5篇、Angewandte Chemie 2篇、Matter 1篇、ACS Nano 2篇、Nano Energy 2篇、Accounts of Materials Research 1篇、Sci. China Chem. 1篇等),总引用6200余次,H因子42,授权中国/美国发明专利5项,获“北京市科技新星”人才称号,担任《过程工程学报》、《物理化学学报》、Nano Research Energy期刊青年编委。主持国家自然科学基金、教育部产学合作协同育人项目、北京市科技新星计划等项目。

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