潘锋课题组：锂电池电化学双电层机理研究取得进展

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新材料学院2020年5月28日讯，我院潘锋教授团队在研究工作中取得重要进展。锂离子电池经正在为便捷化生活方式和环境友好型社会建设服务。正极材料是锂离子电池的主要组成部分，磷酸铁锂因其高稳定性、高安全性而受到青睐，目前已经实现商业化应用。近期，电动汽车特斯拉公司也给予磷酸铁锂非常高的重视，并做出了长远规划。因此，为了全方位发挥磷酸铁锂的优势，对其深刻研究显得尤为重要。相比于体相结构对性能的影响的认识，磷酸铁锂固液界面结构所发挥的作用还有待深入研究。近来，科研工作者发现固液界面结构对锂离子电池的电化学性能有非常重要的影响，亥姆霍兹层是固液界面重要的双电层，包括内亥姆霍兹层和外亥姆霍兹层，一般情况下阴离子和阳离子吸附层是将影响亥姆霍兹层，从而影响锂离子在固液界面的传输行为和锂电池的充放电性能。
       近日，北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋教授领导的清洁能源中心研究团队运用自主创新单分散纳米颗粒（下称“单颗粒”）锂电池电化学方法，研究磷酸铁锂固液界面阴离子吸附层对锂离子传输的影响。经过系统的单颗粒电化学实验和理论分析发现溶液中阴离子几何大小、配位强度、水溶液中电解质的强弱等的不同会导致不同的电化学行为和不同的界面动力学常数和活化能，从而导致了锂离子在界面传输动力学的差异性，该工作近日发表在能源材料领域知名期刊《纳米能源》 (Nano Energy, IF=15.5)上。

图1 磷酸铁锂单颗粒电化学研究晶体-溶液界面的双电层结构（内/外亥姆霍兹层）

       该研究通过对不同阴离子电解质溶液中磷酸铁锂单颗粒电化学测试，结合单颗粒电化学多物理场模拟证明了阴离子如硝酸根和氯离子具备较高的界面速率常数和较低的活化能及电化学曲线上表现出来的弱极化现象。通过量子化学第一性原理计算，证明了水分子实现界面重构形成Janus界面（如上图），它与阴离子发生的静电相互作用一起形成双电层的内亥姆霍兹层，以及阴离子的不同会导致锂离子传输的界面能垒的不同。该双电层固液界面研究为我们研究其它锂电池电化学界面结构提供了重要参考。
       本工作由新材料学院潘锋教授指导完成，该论文共同第一作者为胡江涛博士，任文举博士和陈鑫，潘锋老师、郑家新老师和林原老师为共同通信作者。该工作得到了国家材料基因工程重点研发计划和深圳市科技创新委员会等项目的大力支持。
       文章链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.104864
       文章来源：北京大学
       潘锋教授（博导）是北京大学深圳研究生院新材料学院创院院长,  美国劳伦斯伯克利国家实验室高级访问科学家。1985年获北大化学系学士，1988年获中科院福建物构所硕士，1994年获英国Strathclyde大学博士(获最佳博士论文奖)，1994-1996年瑞士ETH博士后。潘锋教授目前聚焦“新材料基因组（高通量的计算、合成与检测及数据库系统）”的研发及用于“清洁能源及关键材料研发”，包括新型太阳能电池、热电发电、储能和动力电池及关键材料的跨学科的基础研究和产品开发，具有十多年在国际大公司从原创基础研究到创新产品产业化的经历 。2011年创建北京大学新材料学院（深圳研究生院），2012年底作为项目的首席科学家和技术总负责,以北大新材料学院作为协同创新的枢纽，组织深圳市动力电池、材料、装备、研发等8家企业组成完整产业链创新群体，申请和承担了国家（3部委）重大专项--新能源汽车（动力电池）创新工程项目，已圆满完成项目。2013年作为团队负责人获得广东省引进 “光伏器件与储能电池及其关键材料创新团队”的重大项目支持。2015年任科技部“电动汽车动力电池与材料国际联合研究中心”（国家级研发中心）主任。2016年作为首席科学家组织11家单位（8所大学+深圳超算+2家深圳百亿产值的电池企业）申报成功国家材料基因组平台重点专项（“基于材料基因组的全固态锂电池及关键材料研发”）。潘锋教授在SCI收录国外期刊发表近120多篇技术论文和书章，被Elsevier列为2015年中国高被引学者（Most Cited Chinese Researchers）之一，3项国际发明专利，30多项国内专利申请。