1、實驗室概況
化學(xué)電源湖南省重點實驗室，于2017年7月經(jīng)省科技廳批準(zhǔn)建設(shè)，依托中南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院進(jìn)行組建，整合了中南大學(xué)在化學(xué)電源、礦物、冶金、材料、化工和環(huán)境領(lǐng)域的學(xué)科交叉優(yōu)勢，構(gòu)筑“礦物原料加工—電池關(guān)鍵材料—電池器件—廢舊電池回收利用”的完整產(chǎn)業(yè)鏈研發(fā)平臺，建設(shè)在國內(nèi)領(lǐng)先并具有一定國際影響力的綜合型研究平臺，為提升我國化學(xué)電源產(chǎn)業(yè)鏈的核心競爭力和可持續(xù)發(fā)展提供人才和技術(shù)支撐。
重點實驗室共有固定研究人員33人，其中教授23人，副教授10人。其中國家優(yōu)青1人，青年長江2人，新世紀(jì)優(yōu)秀人才2人，湖南省杰青5人。團(tuán)隊以中青年教授為主體，年齡、學(xué)歷和職稱結(jié)構(gòu)合理，全部擁有博士學(xué)位。專業(yè)結(jié)構(gòu)合理，涵蓋應(yīng)用化學(xué)、化學(xué)工程、無機(jī)化學(xué)、冶金物理化學(xué)和材料化學(xué)等專業(yè)，有利于學(xué)科交叉融合。
2、研究方向
(1)化學(xué)電源材料理論與設(shè)計
1)基于第一性原理，使用VASP程序包和Materials Studio等材料科學(xué)計算軟件進(jìn)行從頭算法計算，對電極材料的理化性質(zhì)等進(jìn)行系統(tǒng)計算，建立界面結(jié)構(gòu)的理論模型與鋰離子傳輸過程中的電極界面演變機(jī)制，篩選和設(shè)計高性能的新型化學(xué)電源材料。
2)建立電極材料的晶體結(jié)構(gòu)模型，計算影響電化學(xué)性能的系列性質(zhì)參數(shù)，預(yù)測材料的電子、離子傳輸性質(zhì)以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，結(jié)合理論計算與原位表征，闡明充放電過程中材料的電荷傳輸動力學(xué)及晶體演變特征，為改善化學(xué)電源材料的性能提供理論支撐。
(2)動力型化學(xué)電源及關(guān)鍵材料
針對續(xù)航里程與功率密度指標(biāo)等要求，本方向重點開發(fā)高能高功率的電極材料，研究極片設(shè)計及電池成組技術(shù)及在實際運行中的工程化問題，同時積極開發(fā)下一代高能電池體系。
1)鋰離子動力電池及關(guān)鍵材料
基于主流三元正極材料，通過納米化制備技術(shù)、二次顆粒造粒技術(shù)、表面修飾技術(shù)、表面酸度控制技術(shù)等手段進(jìn)一步提高材料性能；逐步改善材料在高截止電位下的循環(huán)壽命，提高能量密度；開發(fā)高鎳三元材料(622和811)，研究高鎳材料的容量衰減機(jī)制，提出解決策略；聯(lián)合開發(fā)鎳鈷鋁三元材料，力爭實現(xiàn)其規(guī)�；a(chǎn)。負(fù)極方面，開發(fā)高容量Si/C復(fù)合材料，提升其循環(huán)壽命；基于多步高能球磨或高速剪切剝離等物理方法，以石墨為原料開發(fā)規(guī)模制備石墨烯的新型技術(shù)，并應(yīng)用于動力電池正負(fù)極材料的設(shè)計。
2)金屬空氣燃料電池
金屬空氣燃料電池涉及鋁空、鋅空和鎂空電池，本實驗室以鋁空燃料電池為主。研究內(nèi)容包括：a)高性能鋁合金電極的制備技術(shù)：通過摻雜其它元素和合金化改變電極表面鈍化層性質(zhì)，實現(xiàn)“活化”和“緩蝕”的目的；b)高效低成本氧還原催化劑及先進(jìn)的空氣電極制備技術(shù)：開發(fā)過渡金屬和氮共摻雜的高效碳基催化劑替代鉑碳催化劑，研究協(xié)同催化機(jī)制；基于人體血紅蛋白對氧氣的高效催化與分離，設(shè)計Fe-Cu雙金屬-氮共摻雜碳催化劑；c)電解液緩蝕技術(shù)研究：抑制鋁陽極腐蝕，提高電池效率；d)電池成組技術(shù)：包括電解液循環(huán)、空氣流通保障和電池組熱管理等，解決系統(tǒng)的工程化瓶頸問題；e)電池再生循環(huán)技術(shù)：金屬陽極放電后機(jī)械更換新陽極，放電產(chǎn)物和電解液集中再生處理研究。
3)鋰硫鋰氧等下一代動力電池
重點開展高性能鋰硫和鋰氧電池器件結(jié)構(gòu)及其關(guān)鍵材料(電極、隔膜、電解液)的設(shè)計、開發(fā)與匹配研究。基于物理吸附與化學(xué)作用吸附抑制多硫離子穿梭效應(yīng)，設(shè)計合成多功能硫正極或隔膜材料，發(fā)展低成本、宏量制備技術(shù)，并考察材料與電解液之間互相匹配關(guān)系，構(gòu)建高硫負(fù)載量、高比能量的鋰硫電池器件。開發(fā)鋰氧電池高效氧電極催化劑，研究電池充放電機(jī)制及容量失效機(jī)制，設(shè)計穩(wěn)定的電解液體系；開發(fā)匹配性的固態(tài)電解質(zhì)，構(gòu)筑高性能的固態(tài)鋰金屬電池。
(3)規(guī)模儲能型化學(xué)電源及關(guān)鍵材料
1)全釩液流電池關(guān)鍵材料及電堆集成
重點研究高性能全釩液流電池關(guān)鍵材料-電解液、隔膜、電極的制備技術(shù)以及高功率密度全釩液流電池電堆的集成技術(shù)。深入研究影響全釩液流電池電解液、電極、隔膜性能的因素，從機(jī)理出發(fā)設(shè)計提高電解液、電極、隔膜系能的技術(shù)路線，達(dá)到對全釩液流電池用高性能電解液、電極、隔膜的可控、規(guī)�；苽�。同時，通過電堆結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及系統(tǒng)一體化集成過程耦合規(guī)律的研究實現(xiàn)高功率密度全釩液流電池電堆的研制。
2)水系鋰離子電池關(guān)鍵材料及器件成組
重點研究高能量密度、高安全性、長循環(huán)壽命的單體水系鋰離子電池，并最終實現(xiàn)電池器件的模塊成組。研究體系容量衰減機(jī)制，提高庫倫效率；開發(fā)先進(jìn)的表面修飾技術(shù)提高現(xiàn)有錳酸鋰或三元材料的性能；通過摻雜和碳基改性獲得高倍率磷酸鈦鋰/鈉負(fù)極材料，開發(fā)新型高容量高穩(wěn)定性的其它負(fù)極體系；探索提升水系電池循環(huán)壽命與能量密度的途徑；優(yōu)化全電池設(shè)計及電解液匹配；研究電池組成組技術(shù)。
3)鈉離子儲能電池及器件
設(shè)計開發(fā)具有優(yōu)良儲鈉能力的正負(fù)極材料，正極以普魯士藍(lán)系列為主，通過創(chuàng)新制備方法、元素?fù)诫s與碳基材料包覆改性提高儲鈉容量和循環(huán)性能，負(fù)極以二氧化鈦與硬碳材料為主，通過形貌調(diào)控及缺陷控制策略提高材料性能，深入研究相關(guān)材料的儲鈉機(jī)制；研究電解液體系與粘結(jié)劑對性能的影響規(guī)律；設(shè)計全電池，研究器件成組技術(shù)。
(4)電池循環(huán)經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究
該方向的目標(biāo)是解決電池資源的高效利用和廢舊電池的資源化過程所存在的系列基礎(chǔ)與應(yīng)用問題。a)建立可靠的電池一致性評價方法，提高動力電池組的利用率；b)研究大型動力電池組梯次利用涉及的關(guān)鍵技術(shù)問題，開發(fā)以礦物資源和廢舊電池為原料制備電極材料的“資源與材料一體化”新技術(shù)，實現(xiàn)廢舊電池中有色金屬資源“從電池中來到電池中去”的綠色循環(huán)利用技術(shù)。
3、學(xué)術(shù)帶頭人
唐有根，二級教授，博士生導(dǎo)師，中南大學(xué)化學(xué)電源與材料研究所所長，中國儲能與動力電源及其材料專業(yè)委員會常務(wù)副主任兼秘書長。
唐有根教授
一直從事新能源材料和器件方面的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究。先后承擔(dān)國家自然科學(xué)基金、國家重點科技攻關(guān)項目、國家“863”高技術(shù)計劃項目、解放軍武器裝備高新工程攻關(guān)項目等10余項。獲得教育部提名國家科技進(jìn)步二等獎1項，湖南省科技進(jìn)步二等獎2項、三等獎3項，湖南省教學(xué)成果二等獎1項，中國有色金屬工業(yè)科技進(jìn)步二等獎1項、三等獎2項，獲國家發(fā)明專利10項。在國內(nèi)外學(xué)術(shù)期刊和會議上發(fā)表論文300多篇，出版專著和教材5部。
紀(jì)效波，教授，博士生導(dǎo)師，國家“優(yōu)青”。在新能源材料與材料計算方面有深厚的基礎(chǔ)。
紀(jì)效波教授 圖源：中南大學(xué)
主持并完成國家自科等項目4項，英國皇家學(xué)會國際合作項目1項。在AM和EES等國際期刊上發(fā)表論文120余篇；獲國際發(fā)明專利3項，中國發(fā)明專利12項�，F(xiàn)擔(dān)任國際期刊Journal of Carbon Research副主編；中國有色金屬學(xué)會冶金物理化學(xué)學(xué)術(shù)委員會秘書長。曾獲榮譽(yù)和獎勵：湖南省青年科技獎(2016)、中南大學(xué)學(xué)術(shù)委員會委員、理學(xué)部副主任(2015)、英國皇家化學(xué)會會士(2014)、首批湖湘“青年科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)平臺培養(yǎng)對象”(2013)、湖南省“杰出青年基金”(2012)、湖南省“百人計劃”(2012)、教育部“新世紀(jì)優(yōu)秀人才計劃”(2011)等。
劉素琴，教授，博士生導(dǎo)師。湖南省“釩儲能電池材料工程技術(shù)中心”副主任，液流電池標(biāo)委會成員。
劉素琴教授 圖源：INES
主要從事儲能材料與器件研究。已主持完成國家重大基礎(chǔ)研究973課題1項；國家自科面上項目3項；湖南省杰青項目1項；其它省部級項目6項�，F(xiàn)主持國家自科面上項目1項；國家自科聯(lián)合基金1項；湖南省科技重大專項課題1項；橫向項目1項。獲教育部技術(shù)發(fā)明二等獎1項；湖南省自然科學(xué)二等獎1項；中國有色金屬總公司科技進(jìn)步二等獎、三等獎各1項；湖南省教育廳科技進(jìn)步一等獎1項。發(fā)表SCI收錄論文216篇，授權(quán)國家發(fā)明專利21件，參編出版專著2部。
唐新村，教授，博士生導(dǎo)師，新疆大學(xué)“天山學(xué)者客座教授”，主要從事電化學(xué)、材料化學(xué)及環(huán)境化學(xué)等方面的教學(xué)與研究工作。
唐新村教授
主持承擔(dān)國家自然科學(xué)基金項目6項，省科技攻關(guān)項目3項，廣東省部產(chǎn)學(xué)研項目1項，“863”項目子課題1項，校企一般合作項目8項，主持企業(yè)重大項目1項。研究成果先后獲得省部級科技進(jìn)步一等獎1項、二等獎1項和三等獎1項；獲國家授權(quán)發(fā)明專利10項，發(fā)表科研論文90余篇，其中SCI、EI收錄50余篇。合編專著2部。在化學(xué)電源材料制備、電極反應(yīng)動力學(xué)及廢舊電的回收與綜合處理等方面具有扎實的理論基礎(chǔ)和豐富的研究經(jīng)驗。
4、科研進(jìn)展
（1）用于鋁空氣電池的具有高離子電導(dǎo)率的準(zhǔn)固態(tài)電解液
近期，中南大學(xué)唐有根/王海燕/李熠鑫團(tuán)隊以天然的低成本且無毒的高嶺黏土為原料，通過與氫氧化鉀溶液按照一定比例混合制備出用于鋁空氣電池的具有高離子電導(dǎo)率的準(zhǔn)固態(tài)電解液，從而實現(xiàn)高性能準(zhǔn)固態(tài)鋁空氣電池的構(gòu)建。
鋁在液態(tài)電解液以及準(zhǔn)固態(tài)電解液中的剝離行為
實驗結(jié)合理論分析發(fā)現(xiàn)高嶺土表面豐富的親水基團(tuán)與電解液中水分子形成了新的氫鍵，打破了水分子間原有的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，降低了水分子活性。高嶺土表面吸附大量陽離子，在電場力的驅(qū)動下形成了快速離子通道，使準(zhǔn)固態(tài)電解液具有接近液態(tài)電解液的高離子電導(dǎo)率。另一方面高嶺土的層間結(jié)構(gòu)和均勻的孔道分布促進(jìn)了金屬鋁的均勻剝離，穩(wěn)定了鋁空氣電池的放電電壓。最終組裝的準(zhǔn)固態(tài)鋁空氣電池具有超高的能量密度(目前報道的最高水平)以及平穩(wěn)的放電電壓，為鋁空氣的商業(yè)化應(yīng)用提供了借鑒。
（2）構(gòu)建了一種結(jié)合透輝石型SrZrO3涂層和Sr/Zr共摻雜的(NCM)多功能改性材料
中南大學(xué)紀(jì)效波、阿貢國家實驗室Khalil Amine、Tongchao Liu團(tuán)隊利用 Sr2+ 和 Zr4+ 的不同溶解特性及其相互作用，成功地構(gòu)建了一種結(jié)合了透輝石型SrZrO3涂層和Sr/Zr共摻雜的LiNi0.85Co0.10Mn0.05O2(NCM)多功能改性材料，大大提高了其結(jié)構(gòu)/界面穩(wěn)定性和電化學(xué)動力學(xué)性能。薄的透輝石SrZrO3提供了穩(wěn)定的陰極-電解質(zhì)互相，抑制了有害的寄生副反應(yīng)。同時，具有協(xié)同效應(yīng)的Sr/Zr共摻雜被充分納入晶格中，從而避免了結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的問題。
a,b)NCM和c,d)SrZr-NCM電極在測試前和200次循環(huán)后的截面SEM圖像。e,e1-e3)NCM和f,f1-f3)SrZr-NCM200次循環(huán)后的STEM圖像和相應(yīng)的FFT轉(zhuǎn)換。
5、科研項目
在建設(shè)期內(nèi)，化學(xué)電源湖南省重點實驗室承擔(dān)包括國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、湖南省重大專項等省部級以上項目34項，總經(jīng)費達(dá)3600多萬元。在Nature Communications、Joule、Angew Chem Int Ed、Adv.Mater、Energy.Environ.Sci.、Adv.Funct.Mater、Adv.Energy.Mater.、Nano Energy、Energy Storage Materials等國內(nèi)外權(quán)威期刊發(fā)表SCI論文400余篇。申請發(fā)明專利200余項，實現(xiàn)專利轉(zhuǎn)讓2項。相關(guān)成果榮獲重慶市科技進(jìn)步一等獎等獎項近10項。
來源：化學(xué)電源湖南省重點實驗室等
(中國粉體網(wǎng)編輯整理/昧光)
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