中国科学技术大学材料科学与工程系余彦

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余彦，中国科学技术大学教授。研究兴趣功能材料的电化学制备、化学储能及相关电化学基础研究。主要研究方向为一维纳米材料的可控制备及应用、高性能锂离子电池、钠离子电池、锂硫电池等关键电极材料的设计、合成及储能机制。已在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater. Nano Lett.等国际重要学术刊物上发表SCI论文60余篇，被他人共引用2000余次。其研究主要包括功能材料的电化学制备、化学储能及相关的电化学基础，尤其在高性能锂离子电池、钠离子电池、锂硫电池等关键电极材料的设计合成、储能机制及提高性能等方面进行了深入探索，找出了优化及适应性的调控和解决途径。通过特殊纳微结构设计，部分解决了纳米储锂电极材料的体积膨胀效应问题，大幅提高了电极材料的容量、循环次数和倍率性能。迄今为止，先后获得了3项国际专利，2项中国专利。余彦教授目前是RSC advance（影响因子：3.84）的副编辑。

个人简历：
2012―至今；教授，博导；中国科学技术大学
2011―2012；副教授，硕导；北京航空航天大学
2009―2010； 洪堡学者；德国马普固体研究所（Max Planck Institute for Solid State Research）
2007―2008；博士后；美国佛罗里达国际大学（Florida International University）
2002―2006；博士；中国科学技术大学材料系
1997―2001；学士；安徽大学应用化学系

科研概况：Research ID Profile（C-7031-2012）

研究方向一：锂离子电池

电子产品的日益小型化，功能化、集成化，以及电动汽车和可再生能源发电并网的调峰储能，人们对提供能源的二次电池提出了更高的要求。需要电池具有更小的尺寸、更轻的重量及更高的性能。因此，新型高比容量、高倍率性能的锂离子电池电极材料的开发极具迫切性。高性能的电极材料的研发制备技术是有待突破的关键技术之一。

（i）本课题组通过设计三维多孔结构的电极材料（代表作：Angew. Chem. Int. Ed. 44(2005)7085；Adv. Mater. 19(2007)993；Nanotechnology 18 (2007),055706；J. Phys. Chem. C 112 (11) (2008) 4176；Chemistry - An Asian Journal 1 (2006) 826）;），并创新性的将Li2O作为“惰性”添加剂引入过渡金属氧化物负极材料体系，有效的抑制了过渡金属氧化物充放电过程中团聚现象，提高了电极的循环寿命。揭示了Li2O是原位“氧化剂”，氧化过渡金属离子从而循环容量逐步增加的规律，并系统阐明了纳米复合氧化物负极材料中的界面储锂机理。


（ii）设计合成具有“双碳层”的Sn@C填充的一维中空碳纳米线负极材料（代表作：Angew. Chem. Int. Ed. 48 (2009)6485；J. Am. Chem. Soc. 131(2009) 15984），通过设计预留空腔的电极结构，构筑了具有“双碳层”特殊结构的Sn@C填充的一维中空碳纳米线复合负极材料。该结构中每个Sn纳米粒子外均匀包覆的“第一层碳”，有效阻止了循环过程中Sn纳米粒子的团聚；一维中空碳纳米线作为“第二层碳”含有一定体积的空腔，使得嵌锂体积膨胀后的Li4.4Sn合金也可以被容纳在碳空心管中，从而消除了锂插入/脱出过程中产生的应力，极大地改善了电极材料的循环性能、减少了首次容量损失、提高了倍率性能。


（iii）构筑新型纳米多孔、纳米交联网络和纳米阵列等新型三维纳米结构集流体材料（代表作：Adv. Mater.,23(2011)2443; Adv. Energy Mater. 3(3) (2013)281）；Adv. Mater. 22(2010) 2247；Nano Letters, 14 (5)2014,2597；Physical Chemistry Chemical Physics 15(48) (2013) 20813)，通过我们的研究发现三维多孔集流体以及三维纳米阵列大大的缩短了Li+的扩散距离，缓解了体积膨胀；独特的三维多孔集流体设计有效的减小电子（e-）传输距离，为体积膨胀提供了缓冲的空间，并且有利于电解液浸润，使得电极材料的倍率性能得到大幅度的提高。

研究方向二：室温钠离子电池
室温钠离子电池与锂离子电池具有相似的储能机制，但钠的资源丰富，原料成本低廉，对于可再生能源的大规模储能和智能电网来说室温钠离子电池表现出极大潜力。然而由于Na+半径相比Li+大很多，Na+反复的嵌入/脱出极易导致多次循环后电极的结构塌陷，从而引起容量的衰减。因此，探索合适的室温钠离子电池的正、负极材料是急需解决的关键问题。
本课题组长期致力于探索并发展合适的室温钠离子电池的正、负极材料，在实现对电极材料的设计以及可控制备基础之上，深入研究电极反应的机理、界面反应过程、材料的结构、离子/电子传输过程（Nano Lett., 14 (4)2014，2175；Nanoscale 6(10) (2014)5081；Nanoscale 6(3), (2014)1384；Nanoscale 6(2) (2014）693)。通过构筑一维、核/壳结构的Na3V2(PO4)3，提高了材料的电导率，缓解了材料在充放电过程中的内部应力，使得Na3V2(PO4)3的循环性能和倍率性能均得到极大的提高（200C 放电容量仍然可以达到50mAh/g）.


研究方向三：可控合成一维纳米材料
随着材料科学以及纳米技术的不断发展，一维纳米结构（纳米线、纳米管、纳米带、纳米棒等）由于具有新奇的纳米效应以及动力学优势，使一些颗粒状、块状的储锂材料在一维纳米化以后，展现出新的“魅力”，为提升锂（钠）离子电池储锂性能提供了新的途径。研究表明，一维多孔纳米结构作为锂（钠）离子电池电极材料应用时，具有以下优点：①高的长径比、大的比表面积，从而有利于电解液的浸润，促进锂离子的扩散。②一维纳米结构，尤其是纳米管、多孔纳米线等结构，为材料循环过程中的体积膨胀，提供了足够的“空间”，能有效缓解体积效应，从而提高电极的循环性能。③一维纳米结构的柔韧性较好，提高了电极的循环性能。一直以来，静电纺丝方法制备一维纳米材料被认为是在一维无机纳米材料形状和尺寸的控制合成中最简单、有效的方法之一。
本课题组发展了静电纺丝方法，可控的构筑了核（LiFePO4）/壳（C）结构的沿c方向生长的单晶纳米线，极大的提高了LiFePO4的电子导电率（Angew. Chem. Int. Ed. 50(2011)6278；J. Am. Chem. Soc., 133 (13)(2011)4661)），达到通过控制材料的晶体生长方向，缩短b方向Li+的扩散距离的目标。而且，原位形成的5nm的碳包覆层进一步提高了其导电率，提高电化学性能。可控制备的高质量的单晶纳米线为研究LiFePO4脱嵌锂机理提供极佳的样本。

除此以外，我们还可控的构筑了单层MoS2(二维;2D)嵌入碳纳米线(一维;1D)负极材料（Angew. Chem. Int. Ed., 126(2014)2184）用作锂/钠电池负极材料时均体现了优异的循环性能和倍率性能。这种结构具有以下以下的优势：①单层的MoS2缩短了横向传质和传核的距离，并且缓解了体积膨胀；②碳纳米线基体不但缓冲了循环过程中体积膨胀，缓解了电极材料内部的机械应力，而且提高了整个电极的电导率。我们制备的MoS2-Carbon复合材料，大大的提高其电化学性能，经过1000次循环以后，其可逆容量依然可以达到理论容量的90%(600mAh/g)以上。

研究方向四：锂硫电池
锂-硫电池是指采用单质硫（或含硫化合物）为正极，金属锂为负极，通过硫与锂之间的转换反应实现化学能和电能间相互转换的一类锂二次电池。无论作为正极材料的单质硫还是作为负极材料的金属锂，均具有很高的理论比容量（单质硫可达1675 mAh/g，金属锂可达3860 mAh/g），从而使整个电池的理论比能量高达2600 Wh/kg。然而，受限于硫及其放电产物硫化锂的绝缘特性，以及充放电过程中形成的一系列多硫化锂中间产物易溶于电解液缺点，锂-硫电池的硫正极利用率偏低，循环性能也较差，至今还没有被实际应用。
本课题组发展了柔性锂-硫电池，使用柔性的多孔碳材料作为基体，负载硫之后，限制单质硫以及多硫化锂的溶解，大幅度的提高了锂-硫电池的循环性能和倍率性能。
团队成员
李维汉、曾林超、钟雄武、刘孝武、江玉、危翔、王敏、潘福森、杨成龙、吴影