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教授簡介

?25歲博士畢業(yè)，27歲任教清華，先獲優(yōu)青再獲杰青，EnSM副主編張強(qiáng)教授

張強(qiáng)，清華大學(xué)化學(xué)工程系長聘教授，博士生導(dǎo)師。2000年進(jìn)入清華大學(xué)進(jìn)行本科及研究生學(xué)習(xí)，2009年獲博士學(xué)位后先后赴美國凱斯西儲大學(xué)、德國馬普協(xié)會弗里茨—哈伯（Fritz Haber）研究所開展博士后研究工作，2011年9月回國加入清華大學(xué)從事教學(xué)科研工作至今。2017-2020年連續(xù)四年被評為“全球高被引科學(xué)家”。曾獲得第十六屆中國青年科技獎（2020）、北京青年五四獎?wù)拢?020）、國家自然科學(xué)基金杰出青年基金（2018）、國家“萬人計劃”青年拔尖人才（2015）、教育部自然科學(xué)一等獎（2015）、英國皇家學(xué)會Newton Advanced Fellowship（2015）、國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金（2014）、國際電化學(xué)學(xué)Zhaowu Tian獎、清華大學(xué)劉冰獎等。

長期從事能源化學(xué)與能源材料的研究，包括鋰金屬電池、鋰硫電池、鈉金屬電池、電催化劑等其他先進(jìn)能源材料。在Nat. Nanotech., Joule, Energy Environ. Sci., Adv. Mater., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Chem等國際著名期刊上發(fā)表論文410余篇，被引41000余次，H因子104，授權(quán)發(fā)明專利40余項。擔(dān)任Energy Storage Mater., J Energy Chem.副主編，Matter, Adv. Funct. Mater., J Mater. Chem. A, ChemSusChem, Sci. China Mater., InfoMat.化工學(xué)報等期刊編委，Nature Energy, Nat. Nanotech., Nat. Catal, Sci. Adv., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Chem等期刊特約審稿人或仲裁人。

近期工作匯總

Matter：共價有機(jī)骨架構(gòu)建精確親鋰位點(diǎn)助力均勻鋰沉積

鋰金屬是制造高能量密度可充電池最有前景的負(fù)極材料之一。然而，不受控的鋰枝晶生長會縮短循環(huán)壽命并導(dǎo)致安全隱患，嚴(yán)重阻礙了鋰金屬電池的發(fā)展。

本文利用環(huán)硼氧烷共價有機(jī)骨架（COF-1）構(gòu)建了一種親鋰基質(zhì)，以抑制鋰金屬電池在工作中的枝晶生長。環(huán)硼氧烷位點(diǎn)具有理想的親鋰性，降低了Li的成核能壘，同時COF-1有序骨架結(jié)構(gòu)提供了均勻分布的親鋰位點(diǎn)。因此，基于COF-1的Li負(fù)極在半電池和全電池中均能提供兩倍于常規(guī)負(fù)極的壽命。這項工作展示了將先進(jìn)框架材料應(yīng)用于基本能源相關(guān)工藝的潛力。

Covalent Organic Frameworks Construct Precise Lithiophilic Sites for Uniform Lithium Deposition. Matter 2020. DOI: 10.1016/j.matt.2020.10.014

Angew. Chem. Int. Ed.：局部高濃電解液抑制快充電池中石墨負(fù)極的溶劑共插層

固態(tài)電解質(zhì)界面相（SEI）的形成高度依賴于電解液在電極表面的還原反應(yīng)。穩(wěn)定的SEI可防止石墨負(fù)極和電解液之間的直接接觸，從而抑制電解液的還原分解。否則，電解液的連續(xù)分解會導(dǎo)致低庫侖效率，同時伴隨的溶劑共插層反應(yīng)還會導(dǎo)致石墨結(jié)構(gòu)的破壞。

本文報道了一種由LiFSI、雙（2, 2, 2-三氟乙基）醚（BTFE）和二甲氧基乙烷（DME）組成的局部高濃電解液（LHCE）。通過陰離子的優(yōu)先分解，LHCE可以在石墨表面形成均勻而堅固的SEI層，從而顯著抑制醚類溶劑的共插層反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了高度可逆的快速Li⁺嵌入/脫出。該策略為抑制下一代LIBs的溶劑共插層反應(yīng)提供了一種有效的方法。

Inhibiting Solvent Co-Intercalation in Graphite Anode by Localized High-Concentration Electrolyte in Fast-Charging Batteries. Angew. Chem. Int. Ed. 2020. DOI: 10.1002/anie.202009738

Adv. Funct. Mater.：壓力自適應(yīng)路徑助力復(fù)合負(fù)極中均勻鋰電鍍-剝離

鋰金屬由于其超高的比容量和較低的還原電位，被視為一種優(yōu)良的負(fù)極材料而正在復(fù)興。然而，不受控的鋰枝晶生長和大的體積波動造成的不穩(wěn)定界面，導(dǎo)致鋰金屬負(fù)極仍未用于實(shí)際的可充電池。

本文報道了一種新興且合理的復(fù)合負(fù)極，即導(dǎo)電基體與彈性聚合物基復(fù)合負(fù)極，通過引入壓力自適應(yīng)路徑來調(diào)節(jié)復(fù)合負(fù)極內(nèi)部的Li電鍍/剝離。在電鍍/剝離過程中，導(dǎo)電基體內(nèi)部填充的彈性聚合物會產(chǎn)生自適應(yīng)壓力，當(dāng)其超過Li的屈服強(qiáng)度后，能夠限制內(nèi)部Li的生長，同時由于壓力作用下電子路徑的持續(xù)存在，可以實(shí)現(xiàn)高利用率的沉積Li并減少死Li。在實(shí)際應(yīng)用條件下，壓力自適應(yīng)復(fù)合負(fù)極組裝的全電池在循環(huán)160次后，容量保持率為80%。該工作揭示了Li在自適應(yīng)壓力下的行為模式，有助于進(jìn)一步探索Li電鍍/剝離過程中電化學(xué)-力學(xué)耦合機(jī)理。

A Pressure Self-Adaptable Route for Uniform Lithium Plating and Stripping in Composite Anode. Adv. Funct. Mater. 2020. DOI: 10.1002/adfm.202004189.

Angew. Chem. Int. Ed.：利用弱溶劑化電解液調(diào)節(jié)鋰離子電池的界面化學(xué)

鋰離子電池的性能很大程度上取決于其界面化學(xué)性質(zhì)，而界面化學(xué)受電解液的調(diào)節(jié)。

本文報告了一種由非極性純?nèi)軇┙M成的弱溶劑化電解液（WSE，1M LiFSI-1,4-二氧六環(huán)），在該電解液中形成了一種特殊的溶劑化結(jié)構(gòu)，即在1.0 M的低鹽濃度下，離子對和聚集體占主導(dǎo)地位。因此，WSE可以在石墨負(fù)極表面形成獨(dú)特的陰離子衍生SEI層，從而使鋰離子電池具有快速充電和長期循環(huán)的特性。該研究為具有理想性能儲能裝置的精確電解液工程開辟了一條嶄新的道路。

Regulating Interfacial Chemistry in Lithium-Ion Batteries by a Weakly-Solvating Electrolyte. Angew. Chem. Int. Ed. 2020. DOI: 10.1002/anie.202011482.

Angew. Chem. Int. Ed.：利用硫容器直接調(diào)節(jié)工作鋰硫電池中多硫化物中間體

多硫化物中間體（PSs）是鋰硫（Li-S）電池中的活性物質(zhì)的液相物種，它連接著絕緣性固體硫與硫化鋰之間的電化學(xué)反應(yīng)，是充分發(fā)揮高比能Li-S電池的關(guān)鍵?？刂芇Ss的反應(yīng)性和分布是提高Li-S電池性能的重要指標(biāo)之一。

本文提出了硫容器添加劑的概念，用于直接對PSs進(jìn)行改性。電解液中的硫容器可以通過與可溶性硫物種的可逆反應(yīng)來存儲和釋放硫原子。因此，Li–S電池中可溶性PS中間體被有機(jī)PS容器代替，從而實(shí)現(xiàn)對液態(tài)硫物種的總體調(diào)節(jié)。二（三）硫醚聚乙二醇硫容器在PSs的可逆轉(zhuǎn)化中具有高效性，可在液體組分聚集、反應(yīng)動力學(xué)和固體沉積等方面對硫正極的電化學(xué)行為產(chǎn)生多重影響，從而提高Li-S電池的穩(wěn)定性和容量。硫容器的概念為直接調(diào)節(jié)PSs提供了一種策略，對Li-S電池及多相電化學(xué)系統(tǒng)的精確調(diào)控提供了啟示。

Direct Intermediate Regulation Enabled by Sulfur Containers in Working Lithium–Sulfur Batteries. Angew. Chem. Int. Ed. 2020. DOI:10.1002/anie.202008911

Chem：離子溶劑化學(xué)啟發(fā)的陽離子添加劑策略用于穩(wěn)定鈉金屬電池電解液

由于鈉金屬負(fù)極具有高反應(yīng)性和枝晶生長的特點(diǎn)，建立穩(wěn)定的電解液是鈉金屬電池的關(guān)鍵技術(shù)之一。

受離子溶劑化學(xué)的啟發(fā)，本文提出了一種適合于鈉金屬電池的陽離子添加劑的合理化策略。研究了一系列陽離子添加劑（Li⁺、K⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、Cu²⁺、Zn²⁺、Al³⁺）對NaPF₆-DME電解液的影響。通過第一性原理計算，研究了陽離子添加劑對電解液穩(wěn)定性和溶劑化結(jié)構(gòu)的影響。分子動力學(xué)（MD）模擬證實(shí)了引入陽離子添加劑后的電解液溶劑化結(jié)構(gòu)。有限元模擬、原位光學(xué)顯微鏡觀察和電化學(xué)測試進(jìn)一步驗證了密度泛函理論（DFT）和MD計算所預(yù)測的陽離子添加劑策略。結(jié)果顯示，Li⁺是一種很好的鈉金屬電池正極添加劑。該研究建立了鈉金屬電池陽離子添加劑設(shè)計的一般原則，也為其他可充電池提供了一種研究范式。

Ion-Solvent Chemistry-Inspired Cation-Additive Strategy to Stabilize Electrolytes for Sodium-Metal Batteries. Chem 2020. DOI: 10.1016/j.chempr.2020.06.036

Angew. Chem. Int. Ed.：半固定化氧化還原介體對工作電池中硫電化學(xué)的空間和動力學(xué)調(diào)控

氧化還原介質(zhì)（RMs）是加速多電子硫電化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的重要媒介。然而，可溶性小分子RMs通常會加劇電池內(nèi)部的穿梭現(xiàn)象，從而進(jìn)一步降低電池的效率和可循環(huán)性。

本文提出了一種用于RM設(shè)計的半固定化策略，以有效調(diào)節(jié)硫電化學(xué)，同時規(guī)避工作電池中固有的穿梭問題。將氧化還原性酰亞胺單體與柔軟的聚環(huán)氧乙烷-聚環(huán)氧丙烷鏈共聚，得到一種空間受約束但具有動力學(xué)活性的半固定化RM（PIPE）。在0.5C下，少量的PIPE（正極中含5%）使硫正極的循環(huán)性從37次循環(huán)擴(kuò)展到190次，容量保持率為80%。這種半固定化策略不僅豐富了對堿金屬電池中RM輔助硫電化學(xué)的認(rèn)識，而且對先進(jìn)電化學(xué)儲能裝置中活性添加劑的化學(xué)設(shè)計也有一定的啟發(fā)作用。

Spatial and Kinetic Regulation of Sulfur Electrochemistry on Semi‐Immobilized Redox Mediators in Working Batteries. Angew. Chem. Int. Ed. 2020. DOI: 10.1002/anie.202007740

Angew. Chem. Int. Ed.：鋰金屬負(fù)極能在90℃下于液態(tài)電解質(zhì)中循環(huán)嗎？

鋰金屬負(fù)極作為多樣化場景中下一代電池的理想負(fù)極，需要在高溫下穩(wěn)定運(yùn)行。然而，由于常規(guī)液態(tài)電解液中電解液和固態(tài)電解質(zhì)界面相（SEI）的低熱穩(wěn)定性，鋰金屬負(fù)極在高溫（＞55℃）下的性能和安全性較差。

本文將LiFSI和LiNO₃溶于氟代碳酸亞乙酯（FEC）和四甘醇二甲醚（TEGDME）的混合溶劑中，構(gòu)建了一種耐高溫的電解液。當(dāng)該電解液應(yīng)用于Li|LiFePO4電池時，鋰金屬負(fù)極在90℃高溫下可穩(wěn)定循環(huán)100圈，容量變化率為91.5％。升高的溫度會引起鋰鹽和溶劑的獨(dú)立不完全分解，從而顯著改變SEI的成分。一些不穩(wěn)定的中間產(chǎn)物在90℃下出現(xiàn)，使鋰沉積的均勻性變差。這項工作不僅展示了鋰金屬負(fù)極在90℃下的工作，而且提供了對可充電池固態(tài)電解質(zhì)界面和高溫下鋰沉積的基本認(rèn)識。

Cycling a Lithium Metal Anode at 90?°C in a Liquid Electrolyte. Angew. Chem. Int. Ed. 2020. DOI: 10.1002/anie.202002711

Angew. Chem. Int. Ed.：鋰電池中的鋰鍵

鋰鍵類似于氫鍵，因此期望其表現(xiàn)出類似的特征和功能。此外，鋰的金屬性質(zhì)和大半徑賦予了鋰鍵特殊的性質(zhì)。鋰電池作為鋰元素最重要的應(yīng)用之一，為鋰鍵化學(xué)的研究提供了新的機(jī)遇。

從這一觀點(diǎn)出發(fā)，本文回顧了鋰鍵的歷史發(fā)展和概念，以及鋰鍵在鋰電池中的應(yīng)用。對鋰電池中的鋰鍵進(jìn)行了全面的了解，并對其未來的發(fā)展進(jìn)行了展望。

Lithium Bond in Lithium Batteries. Angew. Chem. Int. Ed. 2020. DOI: 10.1002/anie.201915623

Angew. Chem. Int. Ed.：通過擴(kuò)散-反應(yīng)競爭機(jī)制定制鋰沉積

鋰金屬具有理論比容量高、電化學(xué)電位低等優(yōu)點(diǎn)，是目前最有發(fā)展前景的負(fù)極材料之一。然而，鋰枝晶的生長嚴(yán)重阻礙了鋰金屬負(fù)極的實(shí)際應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)球形Li沉積是避免Li枝晶生長的有效途徑，但球形沉積的機(jī)理尚不清楚。

在此基礎(chǔ)上，本文提出了擴(kuò)散-反應(yīng)競爭機(jī)制以揭示形成不同鋰沉積形態(tài)的基本原理。通過控制Li沉積速率的決定步驟（擴(kuò)散或反應(yīng)），實(shí)現(xiàn)了各種Li沉積形態(tài)，其中擴(kuò)散控制過程傾向于形成樹枝狀鋰沉積，而反應(yīng)控制過程則導(dǎo)致球形鋰沉積。本研究為無枝晶鋰金屬陽極提供了新的思路，為實(shí)現(xiàn)安全電池提供了指導(dǎo)。

A Diffusion?Reaction Competition Mechanism to Tailor Lithium Deposition. Angew. Chem. Int. Ed. 2020. DOI: 10.1002/anie.202000375

Adv. Energy Mater.：鋰金屬負(fù)極固態(tài)電解質(zhì)界面的破壞：結(jié)構(gòu)均勻性還是機(jī)械強(qiáng)度？

鋰枝晶生長導(dǎo)致的低庫侖效率、短循環(huán)壽命限制了鋰金屬負(fù)極的實(shí)際應(yīng)用。穩(wěn)定的固態(tài)電解質(zhì)界面（SEI）是抑制Li枝晶形成的關(guān)鍵。

本文采用基于有限元方法的定量電化學(xué)-力學(xué)模型，研究了電沉積過程中SEI層的局部應(yīng)力和形變演化狀態(tài)。此外，還研究了結(jié)構(gòu)均勻性和機(jī)械強(qiáng)度對不同工況下SEI穩(wěn)定性的影響。結(jié)果顯示提高SEI的結(jié)構(gòu)均勻性是提高SEI穩(wěn)定性的最有效途徑，它調(diào)節(jié)了離子的傳輸。此外，追求極高的機(jī)械強(qiáng)度是毫無意義的，建議彈性模量為3.0 GPa。這項工作為穩(wěn)定SEI層的合理設(shè)計提供了一個思路，并為Li金屬負(fù)極的實(shí)際應(yīng)用提供了一條可能的途徑。

The Failure of Solid Electrolyte Interphase on Li Metal Anode: Structural Uniformity or Mechanical Strength? Adv. Energy Mater. 2020. DOI: 10.1002/aenm.201903645

Energy Storage Materials：快充全固態(tài)鋰金屬電池中硫化物電解質(zhì)的界面氧化還原行為

硫化物固態(tài)電解質(zhì)為構(gòu)建高能量密度固態(tài)鋰金屬電池提供了巨大的機(jī)遇。硫化物電解質(zhì)的高離子導(dǎo)電性使固態(tài)電池能夠在高倍率下工作。然而，硫化物電解質(zhì)在工作電池中會出現(xiàn)嚴(yán)重的分解現(xiàn)象，這對其實(shí)際應(yīng)用構(gòu)成了很大的障礙。硫化物的分解行為是復(fù)雜的，并且強(qiáng)烈依賴于電化學(xué)窗口，其中一些甚至在電池循環(huán)期間被認(rèn)為是可逆的。

本文研究了Li₇P₃S₁₁硫化物固態(tài)電解質(zhì)在不同電壓窗口下的氧化還原行為及其對界面?zhèn)鬏敽碗姵匮h(huán)壽命的影響。引入Li|Li₄Ti₅O₁₂ (LTO)電池以進(jìn)一步探討多相氧化還原反應(yīng)對界面離子傳導(dǎo)的影響。通過改變工作電壓窗口來調(diào)節(jié)電解液的氧化還原行為，Li|LTO金屬電池可在10分鐘內(nèi)（6C下）實(shí)現(xiàn)快速充放電，并在1C下可循環(huán)600次，容量保持率為85%。此外還組裝了全固態(tài)Li|LTO金屬軟包電池，其循環(huán)性能穩(wěn)定，容量為120 mAh g^?1。這項工作提供了對硫化物電解質(zhì)界面氧化還原行為的理解，為未來高能量/功率密度固態(tài)鋰電池的合理設(shè)計提供了新的見解。

Interfacial redox behaviors of sulfide electrolytes in fast-charging all-solid-state lithium metal batteries. Energy Storage Materials 2020. DOI: 10.1016/j.ensm.2020.05.017

寫在最后

張強(qiáng)教授曾說道，“當(dāng)前，國家對能源材料的需求很大，能在國家需要的領(lǐng)域做點(diǎn)事，我感到很幸福。”“我從小對化學(xué)就很感興趣，現(xiàn)在又得到國家和學(xué)校的支持，我很感激，覺得自己是個幸運(yùn)兒。”小編聽后深有感觸，越努力越幸運(yùn)，與諸君共勉！

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?25歲博士畢業(yè)，27歲任教清華，先獲優(yōu)青再獲杰青，EnSM副主編張強(qiáng)教授

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