不久前，網(wǎng)絡上發(fā)表了一篇相關論文，標題為“La滲透策略抑制高電流負極中二氧化碳的析出”（-by）。

上海大學物理與分子工程學院博士生蔡明志和清華大學院長助理董彥浩為該論文的共同第一作者。 上海大學黃富強院士和麻省理工學院院長李菊為共同通訊作者。

有效抑制材料中二氧化碳的釋放

此前，科學家發(fā)現(xiàn)降低電流可以顯著提高負極材料的能量密度。 例如，為了提高鈷酸鋰負極的體積能量密度，將電流從4.2V提高到4.6V，使其能量密度可提高60%，達到/L。 但不可忽視的是，大電流會導致負極材料的結(jié)構(gòu)崩潰和性能下降。

從熱力學估算可以得出，當鈷酸鋰負極材料的電流超過4.1V時，其內(nèi)部的氧分壓將低于1atm，晶體結(jié)構(gòu)將被破壞，并出現(xiàn)二氧化碳析出的現(xiàn)象。

為了防止二氧化碳沉淀的發(fā)生，目前業(yè)界普遍采用本體摻雜、表面涂覆等方法，但療效并不理想。 “滲鑭”工藝提出了材料改性的新策略，其核心創(chuàng)新在于在原子結(jié)構(gòu)層面構(gòu)建材料。

為了更好地理解“滲鑭”工藝的精巧設計，黃富強舉了一個例子：“天氣變冷時，人們通常會穿更多的校服來保暖，但厚衣服并不舒服。所以我們就想出了我們已經(jīng)開發(fā)出一種更有效的方法來開發(fā)一種高科技面料，通過在襯衫表面加載一層特殊的‘保護膜’來幫助皮膚快速保留熱量?！?/p>

這種“保護膜”具有高電子濁度、高鋰離子濁度、低氧離子濁度、儲存氧離子的特點。 它基于離子交換反應，實現(xiàn)砷化鎵納米層的均勻包覆。 這些外延納米級砷化鎵涂層的功能是緩沖二氧化碳的產(chǎn)生并防止活性氧遷移到其表面。

圖丨“滲鑭”過程示意圖（來源：）

黃富強強調(diào)，這項開發(fā)的關鍵挑戰(zhàn)是在鑭（La）和鋰（Li）交換產(chǎn)生氮化物納米涂層后，如何在大電流下繼續(xù)穩(wěn)定地保持高比容量。

因此，團隊通過大量實驗篩選并精確調(diào)節(jié)不同元素，最終將納米涂層的寬度控制在2-3納米。 鑭既不會向其擴散，也不會分解電極，從而大大提高了電池的使用壽命。 安全。

該方法類似于金屬中“滲碳”過程的原理。 研究人員選擇La3+（三價鑭離子，主要交換陽離子）和Ca2+（二價鈣離子，第二交換陽離子）在負極表面附近對Li+進行離子交換，從而產(chǎn)生注入的La/Ca梯度。

圖丨“浸潤式鑭”正極的電物理性質(zhì)及首次充電過程中的產(chǎn)氣表征（來源：）

研究過程中，團隊首次發(fā)現(xiàn)了一個新現(xiàn)象：砷化鎵和鈷酸鋰在低溫下不會發(fā)生物理反應和溶解。

“基于此，我們推測，鑭和鈣生產(chǎn)的鈮酸鋰可以作為儲氧材料，相當于在水閘上筑壩，形成天然的防護屏障，不僅保證了鋰的自由穿梭離子，同時也解決了目前負極材料服務中二氧化碳‘到處亂跑’的問題?！?黃富強說道。

一般來說，在鋰電池負極材料中，隨著鋰脫嵌量的增加，二氧化碳析出的問題無法避免。 不過，該研究首創(chuàng)的“滲鑭”新工藝可以有效抑制二氧化碳的沉淀，同時保證鋰的快速傳輸。

為了更好地解釋這一現(xiàn)象背后的機理，麻省理工學院李炬院長課題組開展了相關估算工作，從而提出了強電流誘導氧沉淀的新理論，系統(tǒng)分析了碳特別高的現(xiàn)象。負極材料中的二氧化碳壓力。

圖丨“滲入鑭”的微觀結(jié)構(gòu)表征（來源：）

目前該技術(shù)正在申請國際專利，并已實現(xiàn)100公斤量產(chǎn)。 業(yè)內(nèi)多家高科技公司已將該技術(shù)應用在長壽命鋰離子電池板和準固態(tài)鋰離子電池的驗證中。

逆向思維不斷嘗試新的可能性

黃富強歷任上海大學博雅特聘院士、中國科學技術(shù)大學北京硅酸鹽研究所首席研究員、中國物理學會理事、中國科學技術(shù)大學能源物理專業(yè)委員會秘書。中國物理學會. 一直從事無機固體物理和新能源材料與器件的科學研究和技術(shù)應用，涵蓋先進電池、電催化、新化合物合成等眾多創(chuàng)新領域。

并在、、、、、、J.Am.Chem.Soc.、.Chem.Int.Ed.、、Chem.Soc.Rev.等國際期刊發(fā)表高影響力論文600余篇。 H因子高達95，多次被引用，榮獲全球高被引科學家和頂尖材料科學家排行榜。 授權(quán)發(fā)明專利150余項（美國近20項）。

在固體物理基礎研究領域，黃富強基于多組分原子官能團的“相似聚集”規(guī)律，建立了“雙結(jié)構(gòu)官能團”和“堆積致密因子”設計的理論模型（） ”，并指導合成了以光催化（）、光電子（）、儲能（）、超導（2M-WS2）等為代表的120多個新化合物體系和晶體結(jié)構(gòu)，被稱為“（通用模型）”和被同行評為“（杰出發(fā)現(xiàn)）”，部分發(fā)現(xiàn)的新化合物已成功開發(fā)成鋰/鈉離子電池原創(chuàng)先進電極材料，具有高容量、高倍率的特點。

在應用基礎研究領域，黃富強帶領團隊創(chuàng)新研發(fā)了一系列兼顧高能量密度、高功率密度“雙高”儲能電池板和寬太陽光譜吸收的新能源轉(zhuǎn)換材料，并先后實現(xiàn)了工業(yè)化。

其中，“雙高”少層碳電極材料被諾貝爾獎獲得者約翰·B·古迪納夫（John B.）譽為“突破性發(fā)現(xiàn)”、“一次飛躍”和“超級材料”； 廣譜吸收的高效光催化紅色TiO2材料已應用于上海、山東、安徽、江蘇等地污染底泥凈化，示范面積超過25平方公里； 廣譜三波段吸收的摻錫太陽能電池轉(zhuǎn)換效率達到20%，真空法低成本制造技術(shù)處于行業(yè)領先，并已在廣東等地實施。

在黃富強過往的工作經(jīng)歷中，他不僅擁有扎實的科研和學術(shù)背景，還有來自行業(yè)一線的工作經(jīng)驗。 在加拿大密歇根學院物理系完成博士后研究后，曾在英國西南學院物理系和德國賓夕法尼亞學院材料科學與工程系有過兩次研究經(jīng)歷。

在此期間，他還曾在英國歐司朗、西門子集團研發(fā)（R&D）部門擔任首席科學家。 2003年回國加入中國科學技術(shù)大學北京硅酸鹽研究所。