陈军院士团队研究成果获高等学校科学研究优秀成果奖(科学技术)自然科学一等奖
来源:南开大学新闻网发布时间:2021-06-04

图为,基于无机-有机杂化四钠盐分子的对称钠离子电池结构示意图(左)和陈军院士团队研发的基于高比能锰基氧化物正极和原位预钠化硬碳负极的30 Ah软包钠离子电池产品(右)

  南开新闻网讯(通讯员 高兴斌 记者 吴军辉)鉴于对原材料储量以及电池安全性、稳定性的担忧,人们正在努力寻找能够替代锂离子电池,可大规模应用且环境友好的下一代电化学储能技术,钠离子电池被科学界普遍认为极具发展前景。然而,能量密度较低,循环寿命较短、倍率性能欠佳等问题,制约着钠离子电池的转化应用。南开大学陈军院士团队,十余年潜心研究,一举突破了钠离子电池关键电极材料和反应调控机制等关键核心难题,为发展高性能钠离子电池开辟了道路。

  能源是人类赖以生存和社会发展的重要物质基础,是国民经济、国家安全和实现可持续发展的重要基石。随着现代社会的不断发展和“碳达峰、碳中和”战略目标的提出,调整能源结构迫在眉睫,大力发展可再生能源是必然选择。

  在开发利用可再生能源过程中,电化学储能技术发挥着越来越重要的作用。人类即将迎来新能源科技革命,进入TWh时代。在众多的电化学储能技术中,锂离子电池已在便携式电子设备和新能源汽车中占据主导地位。

  “然而,锂丰度低,资源分布不均匀,约70%集中在南美洲,我国80%的锂资源依赖进口,引发了人们对锂储量的普遍担忧。另外,锂离子电池的安全隐患也难以满足大规模储能的应用需求。”陈军说。

  据介绍,钠与锂位于同一主族,具有很多相似的物理化学性质,且钠资源丰富、分布广泛、成本低廉,另外钠离子电池快速充放电时负极不易析钠,安全性高。钠离子电池工艺、技术各方面也与锂离子电池相近,可以借鉴使用。因此,钠离子电池被认为是极具潜力的下一代电化学储能技术,对大规模新能源与可再生能源的电化学储能具有重要意义。

  “然而,由于钠离子半径大,储钠过程材料结构变化复杂,导致钠离子传输扩散速率慢,电极材料储钠活性位点及利用率不足,电极/电解质表界面稳定性差,这些问题造成钠离子电池能量密度、循环寿命与倍率性能欠佳。”陈军说。

  针对上述科学难题,陈军院士团队十余年潜心研究,提出了钠离子电池中关键电极材料的微纳结构结构设计原则以及电压/电解液协同诱导下电化学反应机制的调控方法,构筑了超高比能量锰基氧化物正极和超快钠离子输运能力的多孔微纳碳包覆聚阴离子型正极,高容量金属硫族化合物负极及原位预钠化快速可逆脱嵌钠硬碳负极,研获了基于无机-有机杂化钠盐的新型对称有机钠离子电池。这些创新工作为发展高性能钠离子电池提供了重要理论基础和实验支撑,促使钠离子电池储能上了一个新台阶。

  日前,教育部2020年度高等学校科学研究优秀成果奖(科学技术)获奖名单正式揭晓。陈军院士领衔完成的“钠离子电池关键电极材料与反应机制”项目(主要完成人:陈军,张凯,陶占良,程方益,轷喆,王诗文,段文超,朱智强)一举摘得2020年度高等学校科学研究优秀成果奖(科学技术)自然科学一等奖。

  在深耕基础研究的同时,陈军院士团队积极推动科研成果向应用技术转化的进度,相关成果获多项中国发明专利授权,并与天津捷威动力工业有限公司、深圳欣旺达电子股份有限公司、广东嘉元科技股份有限公司、安徽理士国际技术有限公司等知名电池企业开展产学研合作,共建国家企业技术中心。同时,与河北省沧州市政府共建南开大学-沧州渤海新区绿色化工研究院,部分钠电池关键电极材料正在进行中试放大与应用转化,服务京津冀协同发展。

  高校处于科技第一生产力、人才第一资源和创新第一动力的结合点。多年来,陈军院士带领的项目团队始终注重教研结合、教科融合,潜心培养人才,主讲《化学与能源》教育部精品视频课,以及《化学概论》《能源化学》《新能源科学与工程导论》等核心课程,编著和再版《能源化学》《新能源科学与工程》系列丛书等相关教材;主持教育部首批新工科“新能源科学与工程专业建设与探索”研究与实践项目,目前已通过结题验收,并正在持续拓展深化。多年来,培育培养多名电化学储能领域创新人才,包括国家“杰青”1名、国家“四青人才”6名、中国科协“青托”人才4名、中国青少年科技创新奖2名;近5年共培养出站博士后和毕业博士与和硕士研究生38名。





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