界面设计在合金化储能电极材料中的应用

界面设计在合金化储能电极材料中的应用

报告人：  郭镇斌

报告时间：2022年8月3日 10：00-11：00

报告地点：绣山工程楼208会议室

报告摘要：

为解决能源短缺的国家战略问题，构建“碳达峰、碳中和”的现代能源产业体系及发展相关战略新兴产业成为我国经济、社会和科技发展的重要任务。电力作为清洁、低碳、安全且高效的能源，已然成为人们生活中不可或缺的必需品。随着社会的发展，诸如可穿戴电子器件、新能源汽车、物联网和人工智能等新兴科技产品迅速普及，人们对稳定的电力需求也与日俱增。因此，电能存储技术成为新能源应用领域中的关键，从根本上影响着经济、社会和科技的发展。当前商业有机系锂离子电池的活性负极材料是理论容量仅为372　mAh/g的石墨，而商业水系钠离子电池的活性负极材料是理论容量约为40 mAh/g的活性炭。与传统的碳基负极相比，合金型负极材料由于其更高的碱金属离子(锂、钠、钾等)存储容量受到广泛研究。在已知的合金型负极材料中，有机系锂离子电池的硅负极具有4200　mAh/g超高理论比容量，比石墨的理论比容量高一个数量级；水系钠离子电池的铋负极具有385　mAh/g的高理论比容量，同样比常用的活性炭的理论容量高一个数量级。然而，高容量的合金型电池负极使用寿命比碳基电极更短。其主要归因于在合金化反应中嵌入和脱出碱金属离子过程中活性物质颗粒巨大的体积变化，导致电极材料的断裂，粉碎以及从粘合剂和导电添加剂中脱离。随着负极材料微裂纹的出现，更多的活性物质与电解质接触反应，形成固体电解质相层（SEI）。由于充放电循环过程中活性物质颗粒的循环体积变化，SEI层反复破裂和再次形成，这一过程消耗了活性物质和电解质，导致碱金属离子电池的容量衰减。为了延长碱金属离子电池的使用寿命，保持其高容量的优点，我们通过减少在充放电过程中发生电极体积变化时电极膜和集流体之间界面上的应力集中，以及构筑高力学性能、高稳定性的人工SEI膜等方式，对新型的合金型碱金属离子电极的集流体/活性物质/电解质界面进行调整优化，从而来减轻碱金属离子嵌入和脱出过程中活性物质颗粒巨大的体积变化对电池性能的负面影响。

报告人简介：

郭镇斌，深圳大学机电与控制工程学院助理教授和深圳大学半导体研究院院长助理，博士毕业于香港理工大学。主要从事界面力学与能源材料的研究，开展了服役条件下界面结构设计对力学性能的增效机制研究、碱金属离子电池的力学失效规律和均匀化界面应力模型建立、力学因素调控的碱金属离子电池服役过程结构演变动力学研究等方面的工作。在新材料研发、材料热力学性能测试与表征、制备工艺优化、材料表征和性能、功能结构应用拓展等方面具有一定的经验和研究基础。研究兴趣涵盖机械工程与材料学的许多交叉领域，包括功能微纳结构设计与制备、梯度功能结构设计与应用、新型热导率测量设备研发等。对能源相关的界面工程领域研究动态有较深入的了解，已在Journal of the Mechanics and Physics of Solids，Materials and Design等期刊发表SCI论文9篇，已授权2项中国发明专利。