中国科学院化学研究所分子纳米结构与纳米技术实验室曹安民

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曹安民，2006年6月中国科学院化学研究所物理化学专业博士毕业，师从万立骏院士。2007年1月至2010年5月在美国匹兹堡大学化学工程系做博士后，从事与超稳定纳米结构的调控相关的课题，致力于复合纳米结构的设计及其应用性能的探讨。2010年6月至2012年2月在美国德州大学奥斯汀分校做博士后，从事车用电池技术方面的研究，主要集中于高性能动力电池正极材料的合成及应用。2012年4月入选中科院化学所“引进杰出青年人才计划”，加入分子纳米结构与纳米技术院重点实验室任研究员。主要研究方向为功能纳米结构表界面控制及其在能源存储领域中的应用。代表性成果发表在Nat. Mater.，J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.，Chem等国际著名期刊上。


Tel/Fax: 010-82614839，Email: anmin_cao@iccas.ac.cn  

动力电池正极材料

      所谓锂离子电池是指分别用二个能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合物作为正负极构成的二次电池。人们将这种靠锂离子在正负极之间的转移来完成电池充放电工作的，独特机理的锂离子电池形象地称为“摇椅式电池”，俗称“锂电”。 锂离子电池具有锂离子电池具有工作电压高、能量密度大、循环寿命长、无记忆效应、对环境污染小、快速充电及自放电率低等众多独特的优势。等优点。自锂离子电池大规模商用化以来，凭借其优异的性能，不断攻城略地，现已牢牢占据二次电池的高端市场。锂离子电池的原材料主要包括正负极材料、电解液、电极基材、隔离膜和罐材等。其中，正极材料是锂电池中最为关键的原材料，由于正极材料在锂离子电池中占有较大比例（正、负极材料的质量比例为3:1-4:1），因此它决定了电池的安全性能和电池能否大型化，同时由于锂离子电池正极材料在电池成本中所占比例可高达40%左右，所以其成本也直接决定电池成本的高低。应该说是锂离子电池正极材料的发展引领了锂离子电池的发展。
      尽管基于锂离子电池的混合动力汽车已经成功推出和使用，其市场规模的扩展却进展缓慢。相对于传统汽车而言，电动汽车有限的使用寿命、对环境的低容忍度以及高昂的价格等自身缺点严重限制了它的大规模的应用。作为电动汽车的关键技术，如何实现动力电池能量密度和稳定性的提升，从而满足汽车15年的使用寿命需要目前仍然是一个极大的挑战。为满足动力电池正极材料实际应用的指标要求，需要对正极材料的组分、结构及形貌进行调控，以得到高振实密度、性能均一稳定的粉体。在共沉淀发生产相应的正极材料氢氧化物前体的过程中，需要对沉淀过程中工艺条件进行控制和优化，对加料速度、沉淀剂和配位剂的浓度、掺杂离子的浓度、反应温度等进行调节，以调控正极材料粉体的颗粒形貌、粒度分布、表面微纳复合结构、元素与相分布的均一程度、粉体酸碱度等物理化学性质，以制备具有高电化学性能的粉体材料。

纳米材料功能设计
     当物质到纳米尺度以后，大约是在1~100纳米这个范围空间，物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。 纳米材料由于的表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等特点，使其在光学、热学、磁学和力学等方面具有特殊的性质。这些奇异的性质使其在金属粉末、陶瓷、微电子、冶金、化工、电子、国防、核技术、航天、医学和生物工程等领域得到了广泛的应用。而对复杂纳米体系进行结构设计，可以优化性能。如上图所示：通过合成方法学的创新，Au纳米团簇包覆在SiO2中，两者共同构成空腔结构的腔壁。一方面，能够促进纳米簇的稳定，同时，使得纳米簇具有极好的加工性能、生物相容性等。

表界面包覆方法学
      包覆是对基底材料进行表面改性的一种常见而有效的方法，在很多领域都有广泛的用途。以对锂离子电池正极材料包覆为例，大量研究与实践表明，对电极材料特别是正极材料进行包覆，对于降低副反应的速度，延长材料的寿命具有显著的作用。相关的包覆层的作用机理和作用效果目前存在不同的认识，存在以下几种可能：其一，包覆层充当一个物理保护层，以抑制正极材料表面与电解液发生的副反应。另一方面，有研究认为Al2O3等活性氧化物的存在可以除去电解液中存在的微量HF，从而降低其腐蚀效果；此外，包覆层的存在、包覆层与正极材料之间界面的形成会改变正极材料自身的物理物理化学性质，从而影响到电池的整体性能。表面包覆层的状态与正极材料的性能密切相关：较厚的包覆层可以对材料提供更好的保护，但是材料表面离子和电子的传输能力也会收到影响；过薄的保护层则难以达到预期的保护效果，同时合成的难度也会增大。因此，电极材料表面包覆的均一性、可控性对其性能的影响很大。本课题组主要研究碳、氧化物、氟化物、磷酸盐等对不同基底的可控包覆，构筑不同功能材料，并进一步探讨相关材料在特定应用体系中的性能。  

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中国科学院化学研究所的曹安民教授课题组发表以一篇通过改进正极材料来提高锂离子电池稳定性的综述。为了稳定电极材料，尤其是在长周期的循环过程中保持稳定，对材料进行表面改性有助于减少电解质-正极界面的不良副反应。本文针对正极材料的精确表面控制进行了综述，重点介绍了为了实现最大化表面保护的效果，利用湿化学和仪器化学两种路线来获得均匀表面涂层的合成策略，并对指定表面物种的形成机制进行了详细的讨论，同时研究了其优化的电化学性能，从而绘制出合成-结构-电化学性能之间的关系，为进一步了解功能性电极材料提供了参考。最后，还提供了关于高能正极材料表面控制最有希望和/或最紧迫的发展方向。研究成果以题为“Precise Surface Engineering of Cathode Materials for Improved Stability of Lithium-Ion Batteries”发布在国际著名期刊Small上。