南京大学郭少华

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郭少华,南京大学副教授，日本筑波大学博士，AIST博士后。发表SCI论文50余篇，其中以第一和通讯作者身份于Nat Commun、Joule、Angew Chem、Adv Mater、Adv Energy Mater、Energy Environ Sci、Nano today、Nano Energy等国际权威期刊发表重要研究成果。研究工作被 Angew Chem、Natl Sci Rev、Sci Bull、PHYS&ORG、 ChemistryViews以及国家自然科学基金委科学传播中心等学术媒体广泛报道。担任Nat Commun等多个期刊审稿人。主持和参与国家自然科学基金、江苏省自然科学基金和国家重点研发计划等项目多项。
             
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研究方向：
储能材料与电池技术包括锂离子电池、钠离子电池、金属空气电池、固态电池以及其他能源转换器件。
开设课程：《电化学》

科研成果：
近期代表性论文:   
Selected publications:

[1] S. Guo , Q. Li, P. Liu*, M. Chen, H. Zhou* “Environmentally Stable Interface of Layered Oxide Cathodes for Sodium-Ion Batteries”, Nat. Commun. 2017, 8, 135.      
[2] S. Guo , P. Liu, Y. Sun, K. Zhu, J. Yi, M. Chen, M. Ishida, H. Zhou* “A High-Voltage and Ultralong-Life Sodium Full Cell for Stationary Energy Storage”, Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54,11701-11705.  
[3] S. Guo †, P. Liu†, H. Yu*, Y. Zhu, M. Chen, M. Ishida, H. Zhou* “A Layered P2- and O3-Type Composite as a High-Energy Cathode for Rechargeable Sodium-Ion Batteries”, Angew. Chem. Int. Ed.  2015, 54, 5894-5899.      
[4] X. Li†, Y. Qiao†, S. Guo* , Z. Xu, H. Zhu, X. Zhang, Y. Yuan, P. He*, M. Ishida, and H. Zhou* “Direct visualization of reversible O2-/O- redox process in Li-rich cathode materials”, Adv. Mater. 2018, 1705197.      
[5] S. Guo , H. Yu*, P. Liu, Y. Ren, T. Zhang, M. Chen, M. Ishida and H. Zhou* “High-performance symmetric sodium-ion batteries using a new, bipolar O3-type material, Na0.8Ni0.4Ti0.6O2”, Energy Environ. Sci.  2015, 8, 1237-1244.      
[6] S. Guo †, J. Yi†, Y. Sun*, H. Zhou* “Recent advances in titanium-based electrode materials for stationary sodium-ion batteries”, Energy Environ. Sci.  2016, 9, 2978-3006.      
[7] Y. Sun, S. Guo*,  and H. Zhou* “Adverse effects of interlayer-gliding in layered transition-metal oxides on electrochemical sodium-ion storage”, Energy Environ. Sci.  2018, DOI: 10.1039/c8ee01006d；  
[8] Y. Qiao, S. Guo* , K. Zhu, P. Liu, X. Li, K. Jiang, C.-J. Sun, M. Chen and H. Zhou* “Reversible anionic redox activity in Na3RuO4 cathodes: a prototype Na-rich layered oxide”, Energy Environ. Sci.  2018, 11, 299-305.      
[9] Q. Li, S. Guo* , K. Zhu, K. Jiang, X. Zhang, P. He, and H. Zhou* “A Post-Spinel Anode Enabling Sodium-Ion Ultralong Cycling and Superfast Transport via 1D Channels”, Adv. Energy Mater. 2017, 1700361.      
[10] Q. Li, K. Jiang, X. Li, Y. Qiao, X. Zhang, P. He, S. Guo*,  and H. Zhou* “A high-crystalline NaV1.25Ti0.75O4 anode for wide-temperature sodium-ion battery”, Adv. Energy Mater. 2018, 1801162；  
[11] Y. Sun, S. Guo*,  and H. Zhou* “Exploration of advanced electrode materials for rechargeable sodium-ion batteries”, Adv. Energy Mater. 2018, 1800212；  
[12] Q. Li†, Y. Qiao†, S. Guo* , K. Jiang, Q. Li, J. Wu, H. Zhou* “Both Cationic and Anionic Co-(de)intercalation into a Metal-Oxide Material”, Joule, 2018, 2, 1134-1145.   
[13] Q. Li†, Y. Liu†, S. Guo* , H. Zhou* “Solar energy storage in the rechargeable batteries”, Nano Today 2017, 16, 46-60.      
[14] K. Jiang, S. Xu, S. Guo* , X. Zhang, X. Zhang, Y. Qiao, T. Fang, P. Wang, P. He, H. Zhou* “A phase-transition-free cathode for sodium-ion batteries with ultralong cycle life”, Nano Energy 2018, 52, 88-94.
[15] T. Fang, S. Guo* , K. Jiang, X. Zhang*, D. Wang, Y. Feng, X. Zhang, P. Wang, P. He, H. Zhou* “Revealing the critical role of titanium in layered manganese-based oxides towards advanced sodium-ion batteries via a combined experimental and theoretical study”, Small Methods 2018, 1800183.   

langli

为了提高钠离子电池的能量密度与功率密度，诸多的研究人员将重点放在对阴离子氧化还原过程进行活化上。与富锂正极材料相比，富钠正极材料受到的关注很少，这其中很关键的原因就在于对阴离子物种的高效利用。

在本文中，南京大学周豪慎、郭少华团队对O3型Mn基富钠正极材料Na1.2Mn0.4Ir0.4O2在氧化还原过程中的阴离子贡献与阳离子贡献进行了系统研究。其中单阳离子氧化还原过程依赖于Mn4+/Mn3+电对，而Ir原子通过共价键与O相连并有效抑制了O2的释放。他们采用原位拉曼、XPS、SXAS等表征手段证实了充放电过程中O22-物种形成的可逆性进而表明该材料存在高度的阴离子氧化还原过程。原位XRD表征揭示了材料初始和循环之后的不对称循环演变，这也进一步说明了电荷补偿机制对电化学性能的影响。

Xiaoyu Zhang, Shaohua Guo,Haoshen Zhou et al. Manganese‐Based Na‐Rich Materials Boost AnionicRedox in High-Performance Layered Cathodes for Sodium‐Ion Batteries. AdvancedMaterials, 2019.

DOI: 10.1002/adma.201807770

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201807770

tanlun

钠金属具有~1166 mA h g−1的高理论比容量和−2.71 V的低氧化还原电位而使得钠金属电池（SMBs）在新能源领域展现出诱人的应用前景。然而，SMBs在极端环境下的研究还没有得到足够的重视，特别是在低温（LT）和高温（HT）环境中。更严重的是，一些机理性问题，如钠金属成核和沉积行为、枝晶生长、界面化学和不稳定的固体电解质界面（SEI）等，仍处于迷雾之中，令人困惑。

         近日，南京大学现代工程与应用科学学院郭少华教授、周豪慎教授团队从SMBs的运作原理出发，指出了SMBs在不同环境中面临的阻碍，并提出了多种针对性的优化策略，包括钠宿主框架的构建、人工SEI设计和液体（固态）电解液/钠金属负极界面的优化。每种策略都从精心挑选的案例出发，然后深入刨析了钠金属在结构中的成核和沉积行为。最后，研究团队对宽温域SMBs在未来的研究作出重要展望，具体如下：
         探索宽温域环境下钠沉积的理论基础。温度能够极大地影响钠金属的成核和沉积行为。钠金属的反应活性随着温度的升高而变得活跃，而在LT下则相反，这极大地阻碍了SMBs电化学行为的探测。因此，一些智能的、多功能的原位设备被迫切期待来推动SMBs度过其婴儿期。
         最小化不同温度下的界面副反应。严重的钠金属负极/电解液界面副反应诱导形成不稳定SEI层，并显著耗尽电解液，从而极大地缩短SMBs的循环寿命。因此，最大限度地减少不同温度下的界面副反应是实现高能量密度、高安全性和高稳定性SMBs的捷径。未来，在设计方案中应充分考虑一些可以减少界面副反应的关键点，如拓宽电解液的电化学窗口、优化SEI组分和提高电极/电解质的兼容性。
         设计新型宽温域电极和电解质。在设计和开发新型电极材料时，应充分考虑不同环境下钠金属的电镀/剥离行为，复合结构的离子电导率和SEI层的组分形成。同时，电解液应该具有快速的钠离子传输动力学和优异的溶剂化/去溶剂化结构（特别是在极端环境中）来确保SMBs良好运行。
         重视SMBs全电池的性能优化。SMBs全电池是最终投入实际应用的设备。因此，有必要优化SMBs全电池的一些重要指标，如提高能量密度、延长使用寿命、最大限度地减少安全隐患、降低成本，这有利于提高其在未来工业发展中的竞争力。值得注意的是，在进入实际制造市场之前，应重点模拟SMBs全电池在不同温度环境下的运行情况。
         可变温度下电极演变的原位分析。尽管已经使用了多种原位分析工具，但一些基本原理，包括钠金属形核/沉积、界面反应、枝晶形成等，仍然模糊不清。因此，为了更好地可视化可变温度下的电极演变，应进一步完善现有的，先进的原位分析技术，同时探索新型的，可环境模拟的原位表征工具。不可否认的是，开发新的原位分析工具有利于清晰化SMBs现有的困惑。
        总的来说，这篇综述将为未来高能量密度、长寿命、低成本和高安全性的宽温域SMBs的设计提供一份指南，并激励更多的研究人员关注极端环境下电池的运作机制。
该综述由现代工学院郭少华教授和周豪慎教授团队完成，以“Wide-range temperature sodium-metalbatteries: From fundamentals, obstacles to optimization”为题于2023年8月25日在线发表在国际知名期刊Energy & Environmental Science上。南京大学现代工学院博士生孙瑜为论文第一作者，南京大学现代工学院郭少华教授为通讯作者，南京大学现代工学院周豪慎教授为本论文做出了重要指导，南京大学现代工学院博士生李精昌为本工作提供了帮助。该项工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委、江苏省自然科学基金委等的支持。


        论文信息：
        Title: Wide-range temperature sodium-metal batteries: From fundamentals, obstacles to optimization
        Authors: Yu Sun, Jing-Chang Li, Haoshen Zhou, Shaohua Guo
        Energy & Environmental Science
         https://doi.org/10.1039/D3EE02082G

qiuyuye

锂金属电池（LMBs）展现出了超过400 Wh kg−1高能量密度的发展潜力，因此被优先考虑作为下一代储能设备。然而，不可控的枝晶生长、难以捉摸的界面化学和不稳定的固体电解质界面（SEI）极大地威胁了LMBs的安全性和耐久性，阻碍了其市场化应用。由于结构的可调性，有机分子表现出构建人工SEI的非凡能力，这有利于清晰化界面化学，诱导Li金属的形核和沉积。此外，一些基于聚合物有机分子设计的SEI具有高的机械强度和均匀的成分，可显著抑制枝晶的过度生长，最大限度地减少LMBs的安全隐患。因此，基于分子工程策略构筑SEI是实现高能量密度，长寿命和高安全性LMBs的重要技术。

          近日，南京大学现代工程与应用科学学院郭少华教授、周豪慎教授团队全面总结了多种有机分子在LMBs中的运用，包括聚合物、含氟分子和有机硫分子，并深入剖析了如何构建相应的弹性、富氟和含有机硫的SEI。一些有针对性的案例被深入讨论来揭示有机分子衍生SEI的进化机制。此外，作者亮点了有机分子衍生SEI的设计思路，并提出了选择有机分子的具体原则。最后，作者指出了基于有机分子工程的LMBs未来实际应用的挑战、策略和前景。
         作者指出，尽管分子基SEI的设计已经取得了突破，但一些阻碍和值得注意的问题仍然存在，需要更多的研究。首先，为了构建富含LiF的SEI，所选择的有机分子能够以合适的电势释放F元素，并且在转化后分子结构应该稳定。理想情况下，希望有机分子可控地诱导Li金属的成核和沉积，从而最大限度地减少枝晶种子并避免枝晶危害。然后，有机分子的引入可能会加剧气体的产生，导致电池膨胀并缩短循环寿命。此外，可以被配置成SEI的有机分子制备起来很复杂，这大大增加了其商业化应用的难度。而且，大多数可用的有机分子仍处于实验室水平，无法大规模使用。最后，考虑到电解质泄漏和电极材料的回收和再循环，应禁止高毒性有机分子构建SEI。同时，一些具有易燃易爆特性的化学品应提前调查和禁止使用，这会严重增加电池安全隐患。基次，作者提出了以下展望：1）增加有机分子的多样性和选择性；2）充分考虑有机分子与电极和电解质的兼容性；3）最大限度地减少枝晶的产生和电池安全隐患；4）构建具有高能量密度的可实用性全电池；5）重视先进表征技术的利用和开发。
          该综述由现代工学院郭少华教授和周豪慎教授团队完成，以“Molecular Engineering toward Robust Solid Electrolyte Interphase for Lithium Metal Batteries”为题于2023年12月11日在线发表在国际知名期刊Advanced Materials上。南京大学现代工学院博士生孙瑜为论文第一作者，南京大学现代工学院郭少华教授为通讯作者，南京大学现代工学院周豪慎教授为本论文做出了重要指导。该项工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委、江苏省自然科学基金委等的支持。
        论文信息：
        Title: Molecular Engineering toward Robust Solid Electrolyte Interphase for Lithium Metal Batteries
        Authors: Yu Sun, Jingchang Li, Sheng Xu, Haoshen Zhou, Shaohua Guo
        Advanced Materials
        https://doi.org/10.1002/adma.202311687