理论教育 创新对抗熵增,回馈社会:北京理工大学材料学院思政工作纪实

创新对抗熵增,回馈社会:北京理工大学材料学院思政工作纪实

时间:2023-09-27 理论教育 版权反馈
【摘要】:2002年,吴锋院士团队首次提出采用轻元素、多电子反应体系实现电池能量密度跨越式提升的创新思路,在电极材料设计、界面调控以及反应体系构建等多方面拓宽了电池研究的格局。这一研究过程中,不同电解液体系对电池成本、安全性以及环境友好性带来的显著影响引发了团队成员对于绿色高效且具有实用意义的电池体系的 思考。水系二次离子电池体系使用具有不燃性的水系电解液,从而大大降低了安全问题产生的可能性。

创新对抗熵增,回馈社会:北京理工大学材料学院思政工作纪实

Hyzinc团队组建初期,团队成员本科所学专业差别较大,分别来自环境工程、金属材料高分子材料木材科学与工程等多个研究领域,大部分学生对科研目的和科研历程了解有限,甚至在化学理论知识以及相关实验操作上是一个彻底的“小白”。基于这一情况,谢嫚老师提出利用“结对子”的形式进行一对一交流,依靠高年级同学“传帮带”的作用,使双方互相监督学习,保持大家学习劲头的同时,营造了良好的科研氛围。深夜的5号楼、长明的白炽灯以及不停运转的蓝电设备见证了成员们在一次次的失败和重来中建立起属于自己的科研思维的过程。

闭门造车只能固步自封,集思广益才能迸发灵感,因此,在吴锋院士的规划和谢嫚老师的组织下,一个充满自由与活力的学术交流平台应运而生。在这个学术沙龙中,没有老师与学生的差别,大家都只是致力创新的研究者,只不过是有的研究者科研经历丰富一些,有的科研工作者科研生涯刚刚起步而已。在这个沙龙里,一些奇妙的、跨学科的,甚至有些天马行空的想法都可以畅所欲言。在这种思维的碰撞中,Hyzinc团队开始对科研创新的目的进行深入的思考:目前锂离子电池暴露出的安全问题能否通过简单的电解液设计实现解决,现有的电池体系是否能够满足未来智能化社会对电池的个性化要求,我们又应该从何下手,如何做起?

经典电化学理论指出,电池中发生的化学能到电能的转换依靠的是电极在放电过程中发生的氧化还原反应。对于传统电极材料而言,由于反应的不可逆性,电极材料在这一过程会被不断地消耗,因此,该能量转换过程实际上是一种不可逆的熵增过程,极大地限制了电池的能量密度与循环寿命。20世纪中后期,国外的研究者率先提出了“离子电池”的概念,这一体系电池的反应机制依靠的是碱金属离子在正负极层状材料中可逆地嵌入/脱嵌实现化学能和电能的可逆转换,实现了在能量密度、循环寿命等多个性能指标上的跨越式突破,这就是我们今天使用的锂离子电池的基本反应原理。尽管锂离子电池在多个方面取得了突破,但是,随着实际应用对电池能量密度和安全性的要求越来越高,研究者开始探索更加多样化地提高电池性能的反应体系。

2002年,吴锋院士团队首次提出采用轻元素、多电子反应体系实现电池能量密度跨越式提升的创新思路,在电极材料设计、界面调控以及反应体系构建等多方面拓宽了电池研究的格局。基于这一思想,Hyzinc团队发挥课题组在电极材料结构设计、形貌调控以及界面优化上的科研优势,专注于高性能、低成本新体系电极材料和电池体系研究,先后对有机系钠离子电池、水系钠离子电池以及水系混合锌离子电池展开了深入的探索。在钠离子电池研究中,通过材料调控手段的创新,有效地解决了传统普鲁士蓝材料中普遍存在的结构缺陷和结晶水多的难题,实现了高性能钠离子电池正极材料的难点突破,生产出比容量高且循环稳定性强的钠离子电池普鲁士蓝正极材料,在有机系及水系钠离子电池中均展现出优异的电化学性能。这一研究过程中,不同电解液体系对电池成本、安全性以及环境友好性带来的显著影响引发了团队成员对于绿色高效且具有实用意义的电池体系的 思考。(www.daowen.com)

于是,Hyzinc团队通过将具有多电子反应特征的锌离子电池与安全性高的水系锂离子电池有机结合,设计了一种高性能、低成本、高安全性的水系混合锌离子电池。水系二次离子电池体系使用具有不燃性的水系电解液,从而大大降低了安全问题产生的可能性。此外,水系电解液的高离子电导率和低成本在提高电池快速充放电性能的同时降低了电池的成本。在电池关键材料的研究上,团队通过一种简单高效的制备手段,合成了具有可规模化生产的锰酸锂复合材料,材料在比容量和循环稳定性上均实现有效提升。并且,团队在电解液上的创新更是克服了传统水系电池中的胀气问题。因此,Hyzinc生产的水系混合锌离子电池实现了远超铅酸电池的能量密度,且成本相对锂离子电池降低30%以上,是一款真正具有市场化和规模化意义的新型电池产品,对于水系高性能二次电池的商业化更是具有里程碑式意义。

目前项目现有成果成功申请一项国家重点研发计划项目,发表SCI一区论文30余篇,申请发明专利10余项,已获授权4项,拥有软件著作权3项。此外,团队通过与比亚迪、鹏辉能源、恩力能源等知名企业开展合作,对水系混合锌离子电池的储能模块设计、光储充一体化系统进行试点应用,旨在通过科技创新的力量,实现能源利用的高效化和清洁化的愿景,让每个人在未来都能够尽情享受电力带来的便利。

Hyzinc团队研究内容

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