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北京大学侯仰龙教授近年来在新能源领域重要工作概览

侯仰龙教授简介


侯仰龙,北京大学博雅特聘教授,皇家化学会会士(FRSC),国家重点研发计划纳米科技专项首席科学家,磁电功能材料与器件北京市重点实验室主任。主要从事多功能磁性材料、新能源材料的控制合成及其在纳米生物医学与能源领域的应用探索研究。发展了单分散磁性纳米材料的通用制备方法,探索了磁性纳米颗粒在肿瘤等重大疾病的诊断与治疗的应用;设计制备了若干纳米结构杂化材料用于高性能的锂电池电极等。迄今发表学术论文180余篇,引用16600余次,谷歌H因子68。申请专利14项,已授权12项。获国家自然科学二等奖1项,教育部优秀科技成果奖自然科学一等奖1项和北京市科学技术奖二等奖1项。荣获全国创新争先奖状、北京茅以升青年科技奖、中国化学会-英国皇家化学会青年化学奖,曾获国家杰出青年科学基金资助,入选教育部长江学者特聘教授、万人计划科技创新领军人才、教育部新世纪优秀人才、全国优秀科技工作者和科睿唯安高被引科学家(2018, 2019)。在国际和各类双边会议上作大会或分会邀请报告50余次。正主持国家重点研发计划,国家自然科学基金委重点项目、重大项目课题等。现任Rare Metals 副主编,Advanced Science、Science China Materials 等期刊编委,中国材料研究会常务理事、青年委员会主任委员,中国化学会理事、青年委员会主任委员等。

侯仰龙教授


本文选取侯仰龙教授近三年来在新能源材料领域的代表性文章来介绍该课题组的主要研究工作。


1. 金属锂负极安全保护


锂金属用做负极时有着其他材料难以比拟的优势,其理论比容量极高(3860 mAh g-1),电极电势极低(-3.04 V vs. 标准氢电极),理论上是负极材料的最佳选择。但其在使用中存在致命的安全问题,主要包括:(1)无限制锂枝晶生长导致短路并引发安全问题;(2)金属锂的连续副反应和相当一部分死锂的形成导致循环性能变差;(3)无限体积变化诱发的负极完全粉碎。针对这些缺陷,侯仰龙课题组提出了有效保护策略。


(1)锂金属部分合金化策略


LixM (M = Si, Sn, Ge等) 合金负极可以解决锂枝晶生长问题。然而合金电极具有较高的还原电位,会导致低能量密度。为了最大限度利用锂金属负极容量,解决锂枝晶生长问题,更好的策略是直接对锂金属进行改性,同时引入锂金属合金,从而使锂金属均匀沉积。因此,侯仰龙课题组设计制备了一种Li/LixC/LiySn (Li/C/Sn) 部分合金复合负极,使Li合金与C、Sn均匀分布。LixC和LiySn合金可以降低Li沉积的过电位,促进均匀的Li沉积,抑制Li枝晶的生长(图1)。此方法的优势在于:提供了一种简单、可扩展的方法来诱导均匀的Li沉积,最重要的是,可以大规模制备金属负极箔片,为软包电池的负极应用提供了强有力的保证,极具商业化潜力。相关工作发表于Nano Energy 杂志(Nano Energy, 2019, 65, 103989)。

图1. 合金化锂负极的优势


(2)低成本三维多孔铜集流体的设计


侯仰龙课题组还引入了一种简单省时低成本的氢气泡动态模板法合成三维多孔铜为基体,改进锂金属负极性能,此三维多孔结构可以降低局部电流密度,抑制苔藓/枝状锂的生长,缓冲锂金属负极的体积变化(图2)。此方法的优势在于:以阴极析出的氢气泡为模板电沉积制备多孔金属材料,方法操作简单,且模板可以快速的生成和去除,成本相对于其他硬模板法大幅降低。成本是能否实现商业化应用的关键问题,在软包电池大规模使用中,更低的负极成本意味着更好的商业前景。相关工作发表于Advanced Functional Materials 杂志(Adv. Funct. Mater., 2019, 29, 1808468)。

图2. 三维多孔铜箔及电化学性能表征


2. 新型碱金属离子电池


(1)二元过渡金属硒化物用于高性能钠离子电池


过渡金属硫系化合物由于具有较高的容量,已成为钠离子电池极具发展前景的电极材料。然而,有限的周期寿命和较差的倍率性能仍阻碍着它们的实际应用。通过元素结合和碳耦合的巧妙选择来提高纳米结构的电导率,可以获得优异的倍率性能并延长循环稳定性。侯仰龙课题组通过一种独特的方法制备了具有提高固有电导率的分层多孔二元过渡金属硒化物Fe2CoSe4纳米材料(图3)。这样的纳米材料具有层次化的多孔结构,与碳基紧密接触的纳米颗粒,以及良好的内在电导率。通过这些优势的协同作用,Fe2CoSe4纳米材料作为钠离子电池负极具有极为优异的电化学性能(高比容量、长循环寿命和高倍率性能)。其进一步与Na3V2(PO4)3/C正极组装为全电池后,仍表现出相当高且稳定的比容量。此研究开发的合成策略将为生产应用于高性能钠离子电池的二元过渡金属硒化物开辟一条新道路。相关工作发表于Advanced Materials 杂志(Adv. Mater., 2018, 30, 1802745)。

图3. Fe2CoSe4纳米材料形貌及电化学性能表征


(2)自支撑SnO2电极助力高性能钾离子电池


钾离子电池(PIBs)因其丰富的钾资源和低廉的成本被认为是锂离子电池在大规模储能应用中的潜在替代品。然而,由于K+半径大,寻找高容量、高循环稳定性的材料是当前研究的难点。针对这些问题,侯仰龙课题组通过简便的电沉积方法设计并制备了一种自支撑的SnO2@CF复合材料作为PIBs的负极材料(图4)。SnO2纳米粒子被锚定在3D碳泡沫(CF)上,CF提供了一个三维导电网络,增加了电子转移,防止SnO2纳米粒子在大体积变化后失去电接触。同时,SnO2@CF电极和SnO2纳米粒子的三维多孔结构有利于电解质的渗透和K+的迁移。受益于这些优点,SnO2@CF电极显示出高比容量、出色的循环稳定性和倍率性能。此外,不同扫描速率的循环伏安曲线表明,赝电容行为对钾的高倍率存储性能有重要贡献。最后,通过X射线光电子能谱、X射线衍射和透射电镜等分析手段,系统地研究了SnO2@CF储钾的反应机理。三维电极的设计思想和制备方法可推广到其它金属氧化物/硫化物@碳基复合材料的碱金属离子存储中。相关工作发表于Energy & Environmental Science 杂志(Energy Environ. Sci., 2020, 13, 571-578)。

图4. SnO2@CF示意图及电化学性能表征


以上为侯仰龙教授课题组近年来在新能源材料领域具有代表性的工作成果,其它更多具体详细的信息请参考该课题组网站:

http://nbm.coe.pku.edu.cn

侯仰龙教授课题组合照


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