中山大学材料科学与工程学院朱昌宝

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朱昌宝，中山大学材料科学与工程学院教授，博士生导师。主要研究方向为高性能锂（钠）离子电池等关键电极材料的理性设计、可控制备与应用基础研究。迄今为止，在《Science》， 《Adv. Mater.》，《Angew. Chem. Int. Ed.》，《J. Am. Chem. Soc.》，《Nano Lett.》等材料化学领域著名国际期刊上发表论文28篇，SCI论文引用次数超过1800余次，单篇最高他引270余次。


朱昌宝
职称：教授
学位：博士
毕业学校：德国马普固体所
电子邮件：zhuchb6@mail.sysu.edu.cn


主要经历:
2017年6月至今 中山大学材料科学与工程学院，教授，博导
2013年6月-2017年5月 德国马普固体所，博士后研究员
2009年9月-2013年5月 德国马普固体所，博士
2007年9月-2009年9月 法国图卢兹三大（欧盟Erasmus Mundus项目），理学硕士
2005年9月-2007年9月 厦门大学，理学硕士
2001年9月-2005年6月 重庆大学，工学学士


学科方向:
主要研究方向：先进能源材料与纳米离子学


具体研究方向：
1. 先进储能材料的理性设计、可控制备与应用基础研究 （锂离子电池、钠离子电池、锂硫电池、超级电容器等）
2. 纳米离子学 （缺陷化学、尺寸效应、电子/离子在固体中的输运、界面等）
3.金属锂及固态电池技术
4.水系电池体系
5.光/电催化


本课题组招收有电化学、材料科学等相关背景的硕士研究生、博士研究生、博士后、及专职科研人员（研究员、副研究员）等


荣誉获奖:
2017年 第十三批国家青年##
2011年 国家优秀自费留学生奖学金
2007年 欧盟Erasmus Mundus奖学金


主要兼职:
Advanced Functional Materials；Nano energy；Solid State Ionics；Journal of The Electrochemical Society；Journal of Materials Chemistry A；Nanoscale；Electrochimica Acta； ACS Applied Materials & Interfaces； RSC Advances； Materials Science & Engineering B； ChemElectroChem；Microporous & Mesoporous Materials；Journal of Alloys and Compounds； Ionics； Journal of Solid State Science and Technology； Energy Technology；Nanomaterials； Chinese Physics B 等SCI期刊的独立审稿人。


代表论著:

• C. Zhu, R. Usiskin, Y. Yu, and J. Maier, The Nanoscale Circuitry of Battery Electrodes, Science, accepted, 2017, DOI:10.1126/science.aao2808.
• C. Zhu, Y. Yu, L. Gu, K. Weichert, and J. Maier, Electrospinning of Highly Electroactive Carbon-Coated Single-Crystalline LiFePO4 Nanowires, Angew. Chem. Int. Ed., 50, 6278 (2011). （ESI高被引论文）
• C. Zhu, X. K. Mu, P. A. van Aken, Y. Yu, and J. Maier, Single-layered Ultrasmall Nanoplates of MoS2 Embedded in Carbon Nanofibers with Excellent Electrochemical Performance for Lithium and Sodium Storage, Angew. Chem. Int. Ed., 53, 2152 (2014).（ESI高被引论文，2015 ESI热点论文）
• C. Zhu, P. Kopold, P. A. van Aken, J. Maier, and Y. Yu, High Power–High Energy Sodium Battery Based on Threefold Interpenetrating Network, Adv. Mater., 28(12), 2409 (2016). (frontispiece paper, 卷首插画论文) (被Nature作为亮点报道， Nature 530, 133, doi:10.1038/530133c) （ESI高被引论文）
• C. Zhu, K.-P. Song, P. A. van Aken, Y. Yu, and J. Maier, Carbon-Coated Na3V2(PO4)3 Embedded in Porous Carbon Matrix: An Ultrafast Na-Storage Cathode with the Potential of Outperforming Li-Cathodes, Nano Letters, 14, 2175 (2014).（ESI高被引论文）
• C. Zhu, X. Mu, J. Popovic, K. Weichert, P. A. van Aken, Y. Yu, and J. Maier, Lithium Potential Variations for Metastable Materials: Case Study of Nanocrystalline and Amorphous LiFePO4, Nano Letters, 14, 5342 (2014).
• C. Zhu, K. Weichert, and J. Maier, Electronic Conductivity and Defect Chemistry of Heterosite FePO4, Adv. Funct. Mater., 21, 1917 (2011).
• C. Zhu, L. Gu, L. Suo, J. Popovic, H. Li, Y. Ikuhara and J. Maier, Size-dependent staging and phase transition in LiFePO4/FePO4, Adv. Funct. Mater., 24, 312 (2014).
• C. Zhu, Y.-R. Wen, P. A. van Aken, J. Maier, and Y. Yu, High Lithium Storage Performance of FeS Nanodots in Porous Graphitic Carbon Nanowires, Adv. Funct. Mater., 25, 2335 (2015).
• C. Zhu, X.-K. Mu, P. A. van Aken, J. Maier, and Y. Yu, Fast Li Storage in MoS2-Graphene-Carbon Nanotube Nanocomposite: Advantageous Functional Integration of 0D-, 1D- and 2D-Nanostructures, Adv. Energy Mater., 5, 1401170 (2015).（2015 ESI高被引论文）
• C. Zhu, C. Wu, C.-C. Chen, P. Kopold, P. A. van Aken, J. Maier, and Y. Yu, A High Power-High Energy Na3V2(PO4)2F3 Sodium Cathode: Investigation of Transport Parameters, Rational Design and Realization, Chem. Mater. 29, 5207 (2017).
• C. Zhu, P. Kopold, W. Li, P. A. van Aken, J. Maier, and Y. Yu, A General Strategy to Fabricate Carbon Coated 3D Porous Interconnected Metal Sulfides: Case Study of SnS/C Nanocomposite for High Performance Lithium and Sodium Ion Batteries
• Advanced Science, 2, 1500200 (2015). (封面文章) (2017 ESI热点论文)
• C. Zhu, P. Kopold, W. Li, P. A. van Aken, J. Maier, and Y. Yu, Engineering Nanostructured Electrode Materials for High Performance Sodium Ion Batteies: Case Study of 3D Porous Interconnected WS2/C Nanocomposite, J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 20487 - 20493.
• C. Zhu, H. Cheng, Y. Yang, Electrochemical Characterization of Two Types of PEO-Based Polymer Electrolytes with Room-Temperature Ionic Liquids, J. Electrochem. Soc., 155, A569 (2008).
• F.-J. Niu#, C.-L. Dong#, C. Zhu# (共同一作), Y.-C. Huang, M. Wang, J. Maier, Y. Yu, and S.-H. Shen, A novel hybrid artificial photosynthesis system using MoS2 embedded in carbon nanofibers as electron relay and hydrogen evolution catalyst, Journal of Catalysis, 352, (2017).
• L. Gu, C. Zhu, H. Li, Y. Yu, C. L. Li, S. Tsukimoto, J. Maier, and Y. Ikuhara, Direct Observation of Lithium Staging in Partially Delithiated LiFePO4 at Atomic Resolution, J. Am. Chem. Soc., 133, 4661 (2011).
• Y. Yu, L. Gu, C. Zhu, P. A. van Aken, and J. Maier, Tin Nanoparticles Encapsulated in Porous Multichannel Carbon Microtubes: Preparation by Single-Nozzle Electrospinning and Application as Anode Material for High Performance Li-based Batteries, J. Am. Chem. Soc., 131, 15984 (2009). （ESI高被引论文）
• Y. Yu, L. Gu, C. Zhu, S. Tsukimoto, P. A.van Aken, and J. Maier, Reversible Storage of Lithium in Silver-Coated Three-Dimensional Macroporous Silicon, Adv. Mater., 22, 2247 (2010). （ESI高被引论文）
• Y. Yu, L. Gu, X. Lang, C. Zhu, T. Fujita, M. W. Chen, and J. Maier, Li Storage in 3D Nanoporous Au-Supported Nanocrystalline Tin, Adv. Mater., 23, 2443 (2011).
• K. Weichert, W. Sigle, P. A. van Aken, J. Jamnik, C. Zhu, R. Amin, T. Acartürk, U. Starke, and J. Maier, Phase Boundary Propagation in Large LiFePO4 Single Crystals on Delithiation, J. Am. Chem. Soc., 134, 2988 (2012).
• J. Liu, K. Song, C. Zhu, C. Chen, P. van Aken, J. Maier, and Y. Yu, Ge/C Nanowires as High-Capacity and Long-Life Anode Materials for Li-Ion Batteries, ACS Nano, 8, 7051 (2014).
• S. Chen, C. Wu, L. Shen, C. Zhu, Y. Huang, K. Xi, J. Maier, and Y. Yu, Challenge and Perspectives for NASICON-Type Electrode Materials for Advanced Sodium-Ion Batteries, Adv. Mater., 1700431, 2017.
• X. He, L. Gu, C. Zhu, Y. Yu, C. L. Li, Y.-S. Hu, H. Li, S. Tsukimoto, J. Maier, Y. Ikuhara, and X. Duan, Direct Imaging of Lithium Ions Using Aberration-Corrected Annular-Bright-Field Scanning Transmission Electron Microscopy and Associated Contrast Mechanisms, Materials Express,1, 43 (2011).
• H. Cheng, C. Zhu, M. Lu and Y. Yang, Spectroscopic and Electrochemical Characterization of the Passive Layer Formed on Lithium in Gel Polymer Electrolytes Containing Propylene Carbonate, J. Power sources, 173, 531(2007).
• H. Cheng, C. Zhu, B. Huang, M. Lu and Y. Yang, Synthesis and Electrochemical Characterization of PEO-Based Polymer Electrolytes with Room Temperature Ionic Liquids, Electrochim. Acta, 52,5789(2007).
• H. Cheng, C. Zhu, M. Lu and Y. Yang, In Situ Micro-FTIR Study of the Solid–Solid Interface between Lithium Electrode and Polymer Electrolytes, J. Power sources, 174, 1027(2007).
• H. Cheng, C. Zhu and Y. Yang, FTIR Characterization of Ion Association and Phase Composition in PEO-based Polymer Electrolytes, ACTA CHIMICA SINICA, 65, 2832(2007).
• A. Kuhn, O. Gerbig, C. Zhu, F. Falkenberg, J. Maier, and B. V. Lotsch, A new ultrafast superionic Li-conductor: Ion dynamics in Li11Si2PS12 and comparison with other tetragonal LGPS-type electrolytes, PCCP, 16, 14669(2014).
  

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全固态锂电池有潜力成为传统锂离子电池的替代者，被称为下一代能源储存装置。固体电解质是固态锂电池的核心部件，石榴石型固体电解质具有良好的环境稳定性、化学与电化学稳定性、较高的离子电导率、较大的硬度，是最具应用潜力的无机固体电解质之一。通常石榴石型固体电解质较高的硬度可以缓解锂枝晶的生长，较宽的电化学窗口可以促使高电压正极材料的应用，赋予全固态电池高安全性和高能量密度等优点。但是较大的硬度给电极/固体电解质界面的构筑及其修饰改性带来了严峻的挑战，界面稳定性问题亟需解决。
       近日，吉林大学王大为副教授（第一作者），中山大学朱昌宝教授（共同通讯作者）、西安大略大学孙学良教授（共同通讯作者）和厦门大学杨勇教授（共同通讯作者）综述了石榴石基固态锂电池界面阻抗的来源、固-固界面的构筑策略以及循环过程中的界面退化和电池失效机制。最后，作者展望了石榴石基固态电池的机遇与挑战。

图1 石榴石基固态锂电池面临的问题及其挑战

       文章要点：
       1. 金属锂/石榴石界面
       金属锂是理想的电池负极材料，但是金属锂/石榴石界面仍然存在较大挑战。石榴石表面的Li2CO3，金属锂与石榴石界面的不充分接触及副反应，是金属锂/石榴石界面阻抗的主要来源。通过1）表面处理清除Li2CO3，2）高温及高压提高界面接触，3）引入人工界面层提高界面润湿性和抑制副反应，可以显著降低界面阻抗。后续循环过程中，1）金属锂不均匀的沉积和解离导致界面阻抗增加，2）锂枝晶穿透电解质导致电池失效。锂枝晶的生长机理还存在争议，工作温度、金属锂/石榴石界面微观结构以及石榴石自身性质，都会影响锂枝晶的生长速度。
       2. 正极/石榴石界面
       由于石榴石型固体电解质不具有流动性，其无法像液体电解液一样润湿正极，给正极/石榴石界面的构筑带来挑战。不充分的物理接触、副反应和不匹配的两相间Li+传输通道，是正极/石榴石界面阻抗的主要来源。1）通过高温处理使复合正极微融，可以提高两相的物理接触，降低界面阻抗。但高温处理产生的副反应产物可能导致界面阻抗增加。2）通过添加具有较低熔点和较高热稳定性的助溶剂，可以降低烧结温度，减少副反应。3）放电等离子体烧结技术可以降低烧结温度和减少烧结时间，减少高温副反应和提高界面性能。后续充放电过程中，锂离子脱嵌导致正极材料体积变化，不均匀的内应力导致复合正极内部以及复合正极和固体电解质宏观界面出现裂纹，降低电池性能。
       作者最后提出，虽然全固态电池近年来得到了极大的关注和发展，但仍面临较大挑战。1）充放电过程中金属锂的不均匀解离和沉积，增加了界面阻抗。2）锂枝晶的生长机理还没有完全揭示，锂枝晶仍需有效抑制。3）正极/固体电解质界面构筑需要改善。4）充放电过程中正极颗粒体积变化引起的裂纹需要得到重视和缓解。5）原位表征对揭示充放电过程中的界面退化机制具有重要作用。
       相关论文发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.202001318 )上。