卧虎藏龙！细说中科院的三位杰出青年科学家

中国科学院（简称中科院）成立于1949年11月，是中国自然科学最高学术机构、科学技术最高咨询机构、自然科学与高技术综合研究发展中心。据2018年11月中科院官网显示，全院共拥有12个分院、100多家科研院所、3所大学（中国科学院大学、中国科学技术大学，与上海市共建上海科技大学）、130多个国家级重点实验室和工程中心、210多个野外观测台站，承担20余项国家重大科技基础设施的建设与运行，正式职工7.1万余人，在学研究生6.4万余人；建成了完整的自然科学学科体系，物理、化学、材料科学、数学、环境与生态学、地球科学等学科整体水平已进入世界先进行列，一些领域方向也具备了进入世界第一方阵的良好态势。在解决关系国家全局和长远发展的重大问题上，已成为不可替代的国家战略科技力量。一批科学家在国家重大科技任务中发挥了关键和中坚作用，并作为我国科技界的代表活跃在国际科技前沿。

今天笔者就来介绍三位来自中科院的杰出青年科学家！

第一位，中科院化学所郭玉国研究员。

郭玉国，中国科学院化学研究所研究员，中国科学院大学岗位教授，博士生导师，中科院分子纳米结构与纳米技术重点实验室副主任，国家杰出青年基金获得者（2012），“国家重点研发计划”首席科学家。主要学术任（兼）职：中国化学会青年化学工作者委员会副主任、中国化学会电化学委员会委员和“化学电源”分会主席、中国科协先进材料学会联合体第一届青年工作委员会委员、中国材料研究学会青年工作委员会理事、中国化学会纳米化学专业委员会委员、中国硅酸盐学会固态离子学分会理事和副秘书长、ACS Applied Materials & Interfaces副主编、《中国科学：化学》、Nano Research、Energy Storage Materials、ChemNanoMat、ChemElectroChem、Solid State Ionics、Scientific Reports、《科技导报》等期刊编委。

曾获荣誉：2019年中国科学院“优秀研究生指导教师”奖、2018年国际能量存储与创新联盟Young Career Award奖、2018年中国科学院青年科学家奖、2018年度中国科学院“优秀研究生指导教师”奖、2017年中国科学院杰出青年奖、2017年中科院特聘研究员核心骨干、2016年国际电化学能源科学院(IAOEES)卓越研究奖、2014年国际电化学委员会ISE Tajima奖、2014年中国科学院“优秀研究生指导教师”奖、2014年中国科学院大学/化学研究所“化学科学奖教金（创新奖）”、2013年中国青年科技奖、2013年亚洲化学学会联合会杰出青年化学家奖、2013年 IUPAC江教授新材料奖、2012年美国国家地理新兴探索者(The National Geographic Emerging Explorers)、2012年中国材料研究学会科学技术奖二等奖(排名第一)、2011年中国电化学会青年奖、2011年美国麻省理工学院《Technology Review》“全球杰出青年创新家TR35”、2009年首届“SCOPUS寻找未来科学之星”纳米科学领域金奖、2008年中国化学会青年化学奖等。

一直从事能源电化学与纳米材料的交叉研究。近年来在动力电池和储能电池体系及其关键材料方面取得了系列创新性成果，研制出多种新型高性能电极材料和二次电池体系，实现了高性能电极材料的规模化生产和应用，推动了锂离子电池、锂硫电池、固态金属锂电池的科学和技术进步。先后在Nature Mater.、Nature Energy、 Nature Commun.、Science Adv.、Acc. Chem. Res.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Chem、Joule、Energy Environ. Sci.等国际知名期刊上发表SCI论文300多篇，被引45000多次，h指数为111。2014-2019连续六年被Clarivate Analytics（原汤森路透）评选为全球“高被引科学家”。申请国际PCT专利16项，中国发明专利99项；获得美国发明专利授权2项，德国发明专利授权1项，英国发明专利授权1项，日本发明专利授权1项，中国发明专利授权67项，成果转化18项。

近期工作进展：

1、Small：P3/O3集成层状氧化物作为钠离子电池的高功率长寿命正极

低成本和稳定的钠层状氧化物（如P2相和O3相）被认为是极有前景的钠离子电池（NIBs）正极材料。双相混合主要涉及P2/O3和P2/P3双相，通常用于提高它们的电化学性能。在此，中科院化学所郭玉国研究员等人通过调节Na_2/3Ni_1/3Mn_2/3−xTi_xO₂（x=0，1/6，1/3，2/3）中Ti的取代量，证明P3/O3集成层状氧化物（Na_2/3Ni_1/3Mn_1/3Ti_1/3O₂）可作为NIBs的高倍率长寿命正极。X射线衍射（XRD）Rietveld精修和像差校正扫描透射电镜显示P3和O3相共存，密度泛函理论计算证实了Ti取代量为1/3时异常O3相的出现。P3/O3双相正极具有出色的倍率容量（在5C下可获得约为88.7%的初始容量）和循环稳定性（在1C下循环2000次后具有约为68.7%的容量保持率），优于单相P3-Na_2/3Ni_1/3Mn_2/3O₂、P3-Na_2/3Ni_1/3Mn_1/2Ti_1/6O₂和O3-Na_2/3Ni_1/3Ti_2/3O₂。此外，通过XRD、XPS和Na⁺快速扩散动力学观察到P3/O3集成正极的高度可逆结构演变。这些结果显示了P3/O3双相混合在NIBs层状氧化物正极设计和工程中的重要作用。

原文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202007236

2、Adv. Energy Mater.：具有内置磷稳定剂的高导热隔膜助力富镍正极基锂金属电池

无钴正极材料的发展推动了下一代金属电池层状富镍正极的研究。不幸的是，富镍正极材料由于相变产生析氧反应，从而导致低容量保持率和差热稳定性等问题，阻碍了其广泛应用。在此，中科院化学所郭玉国研究员等人利用无机磷基阻燃剂和导热氧化石墨烯添加剂，通过简单的相转化方法制备了具有三维多孔结构的高柔性隔膜。得益于其三维多孔结构、内置的自由基清除剂和均匀的热分布，所获得的隔膜能够通过阻断大尺寸阴离子实现接近单一的Li⁺迁移（t_Li+=0.8），并使NCM811/Li金属电池在0.2 C下达到188.8 mAh g^-1，经过200次循环后，容量保持率为82.2%，而商用聚烯烃隔膜的容量保持率仅为41.4%。此外，通过减少局部温度热点和实现充分的传质，该隔膜还具有优异的抑制枝晶能力。这项工作也为稳定其他高能电池系统的活性电极材料提供了一条新的替代途径。

原文链接：https://doi.org/10.1002/aenm.202003285

3、J. Mater. Chem. A：可充电镁电池的研究进展

为有效利用太阳能、风能、潮汐能等可再生能源，储能是一个亟待解决的重要问题。在二次电池储能方面，相较于锂，镁具有低成本、环境友好、易于操作等优势。因此，可充电镁电池（RMBs）在实际应用中被认为是可充锂电池的绿色替代品。在过去的几年里，RMBs取得了很大的进展，但也存在许多问题。在此，中科院化学所郭玉国研究员等人从正极、电解质和负极三个方面综述了金属基复合材料的最新进展。阐述了正极结构对Mg²⁺迁移动力学的影响，简要介绍了各种用于RMBs电解质的性能和特点，并对金属镁及其它类型负极材料的改性进行了综合讨论。此外，还讨论了RMBs目前面临的挑战和未来发展的重要指导方针。

原文链接：https://doi.org/10.1039/D0TA09330K

第二位，中科院物理所胡勇胜研究员。

胡勇胜，中国科学院物理研究所研究员，博士生导师，国家优秀青年基金获得者（2012）、国家杰出青年基金获得者（2017）。曾获荣誉：开发的钠离子电池获得2020年中关村国际前沿科技创新大赛总决赛亚军、2019年中国科学院北京分院科技成果转化特等奖及2019年储能技术创新典范“TOP10”和“评委会大奖”，2018年中国科学院优秀导师奖、2017年第三批国家科技创新领军人才、2016年第十四届中国青年科技奖、2016年科技部中青年科技创新领军人才、2016年英国物理学会会士、2015年英国皇家化学会会士、2015年国际电化学学会 Tajima Prize、2015年英国皇家学会Newton Advanced Fellowships （牛顿高级学者基金）、2015年茅以升科学技术奖--北京青年科技奖、2013年第十届中国硅酸盐学会青年科技奖、2013年中国电化学青年奖、2012年中科院物理所科技新人奖等。

研究方向为钠离子电池材料与器件及其相关基础科学问题，开创性提出钠离子电池低成本正负极材料：发现Cu²⁺/Cu³⁺氧化还原电对在含钠层状材料中具有电化学活性，提出利用便宜的Cu替换昂贵的Ni/Co进而设计了低成本Na-Cu-Fe-Mn-O层状氧化物正极材料，提出利用无烟煤作为前驱体制备低成本碳负极材料；作为创始人之一成立中科海钠，致力于推动钠离子电池的实用化。先后在Science、Nature Energy、Nature Mater.、Joule、Nature Commun.、Science Adv.、ACS Energy Letters、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、Energy Storage Materials、Energy Environ. Sci.、Angew. Chem. Int. Ed.、JACS、Nano Letters等国际重要学术期刊上发表论文200余篇，被引26000余次，H指数为86，连续7年入选科睿唯安 “高被引科学家”。目前担任ACS Energy Letters杂志资深编辑。合作申请60余项中国发明专利、5项国际发明专利、已授权40项专利（包括美国、日本、欧盟等5项）。

近期工作进展：

1、Science：合理设计层状氧化物材料用于钠离子电池

由于钠在地壳中储量丰富，钠离子电池已在智能电网的电能存储中引起了广泛关注。但此类电池的性能受到可用电极材料的限制，尤其是对于钠离子层状氧化物，这激发了人们对高性能电极材料的探索。但预测组成如何决定结构从而影响电化学性能非常困难，特别是对于复杂的组成。在此，中科院物理所胡勇胜研究员等人提出利用阳离子势来预测钠离子层状氧化物的构型。为了进一步验证该方法在材料合成中的实际指导作用，以Na[Li_1/3Mn_2/3]O₂为初始组成，通过调控阳离子势合成出了富钠O3-Na[Li_1/3Ti_1/6Mn_1/2]O₂和高钠P2-Na_5/6[Li_5/18Mn_13/18]O₂两种纯相层状氧化物正极材料，通过氧离子变价实现了较高的储钠容量。该工作不仅为层状氧化物结构的设计提供了新的方法，而且用实验确认了该简单方法的有效性，为低成本、高性能钠离子电池层状氧化物正极材料的设计制备打下了坚实的科学基础。值得一提的是，这是Science期刊首次报道钠离子电池研究成果！

原文链接：http://science.sciencemag.org/content/370/6517/708

2、ACS Energy Lett.：用于钠离子电池的超低浓度电解质

电解液是储能电池不可或缺的重要组成部分，而调控电解液浓度是实现其功能化设计的有效策略之一。近年来，高盐浓度电解液因其特殊的体相与界面特性被广泛用于金属锂电池、水系电池等。但与此相反，降低盐浓度可能会带来浓差极化，所以目前实际锂电池应用大多集中于标准的1 M浓度，从而使得低盐浓度电解液一直没有得到系统的研究。钠离子的Stokes半径和脱溶剂化能均比锂离子的要低，因此理论上采用较低的钠盐浓度也可实现足够的动力学性能，从而使得超低盐浓度电解液应用于钠离子电池成为可能。考虑到盐的成本通常是溶剂的十倍以上，减少钠盐使用可以有效降低钠离子电池的成本，从而有利于钠离子电池在储能领域的大规模应用。在此，中科院物理所胡勇胜研究员等人将六氟磷酸钠（NaPF₆）溶解于碳酸乙烯酯（EC）和碳酸丙烯酯（PC），首次设计了一种可应用至钠离子全电池的低盐浓度电解液（0.3 M浓度）。得益于电解液的低粘度、低氢氟酸腐蚀以及形成的富含有机成分的固体电解质中间相等（对比1 M浓度），电池工作温度窗口得到明显的拓宽（-30至55°C）。低盐浓度电解液概念的提出为可充式电池在极端条件下稳定运行提供了新思路，未来低盐浓度电解液概念有望扩展到其他的电解质体系及其他低成本储能电池。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acsenergylett.0c00337 

3、Energy Storage Materials：用于钠离子电池的新型富镍O3-Na [Ni_0.60Fe_0.25Mn_0.15]O₂正极

O3型层状氧化物材料因其高容量而被认为是最有前景的钠离子电池正极材料之一，但在高脱钠状态下往往会发生结构损伤。为获得稳定的高容量O3型钠离子正极，中科院物理所胡勇胜研究员等人采用共沉淀法合成了一系列 O3-Na [Ni_xFe_yMn_1-x-y]O₂ (x=0.6、0.7和0.8)正极材料，通过结合电化学测试和原位/非原位结构表征，系统研究了高镍O3型正极材料的储钠机制、镍含量（铁锰替代量）与储钠性能之间的关系。结果表明，组成为Na[Ni_0.60Fe_0.25Mn_0.15]O₂（ O3-NNFM）的材料具有较好的综合性能，在2.0-4.2 V的电压范围内显示出190 mA·h/g的比容量，并伴随着O3-O'3-P3-O3''的相转变过程。此外，该研究揭示了高压下容量衰减的几个原因：1）由于晶体结构中Na⁺较少，导致高压相热力学不稳定；2）高压相演化过程中体积变化较大，Na⁺扩散动力学较差；3） 正极颗粒表面微裂纹和正极电解质界面的形成。为了解决上述问题，作者设定了4.0 V的合理上限截止电压，以防止O3〃相的形成并抑制电解液的分解，从而获得约152 mAh g⁻¹（~467 Wh kg⁻¹）的高可逆容量，在0.5 C下进行200次循环后，容量保持率高达约84%，显示出良好的钠储存性能。这项工作为进一步开发高性能富镍O3型钠离子电池正极提供了结构-性能关系方面的见解。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2020.05.013

第三位，中科院青岛能源所崔光磊研究员。

崔光磊，中国科学院青岛生物能源与过程所研究员，博士生导师，国家杰出青年基金获得者（2016），国家重点研发计划新能源汽车专项高比能固态锂电池技术项目首席科学家，国务院特殊津贴专家。现任中科院青岛能源所学位委员会主任、学术委员会副主任，青岛储能产业技术研究院执行院长、能源应用技术研究室主任，国际聚合物电解质委员会理事、国际储能创新联盟理事、中国化学会电化学委员会委员、中国化学会能源化学专业委员会委员、中国化学会有机固体专业委员会委员等。曾获荣誉：2018年国家“万人计划” 、2018年山东省自然科学一等奖、2017年科技部中青年科技创新领军人才、2017年青岛市自然科学一等奖、2015年山东省“泰山学者特聘专家”、 2013年青岛市创业创新领军人才、2011年第八届青岛市青年科技奖、2009年山东省自然科学杰出青年基金、2009年中国科学院“百人计划”等

研究方向为高比能固态锂电池、高功率锂电池/锂离子电容器、下一代低成本储能器件（锌离子电池、镁离子电池等）等以及钙钛矿太阳能电池核心关键材料、器件、系统及应用。先后在Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Environ. Energy Science、Adv. Energy Mater.、Adv. Funct. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Sci.等发表文章260多篇，被引10000多次。申请国家专利190余项，授权80余项，申请PCT专利6项。

近期工作进展：

1、Energy Storage Materials：氰基增强的原位聚合物电解质助力高压长循环寿命锂金属电池

固态聚合物电解质（SSPEs）有望改善锂金属电池（LMBs）的能量密度和安全性。然而，由于在环境温度下EO链段的低氧化分解电位和聚合物基体的高结晶性，采用基于环氧乙烷（EO）SSPE的高压LMBs具有差的可循环性。在此，中科院青岛能源所崔光磊研究员等人通过丙烯酸2-氰基乙基酯和聚（乙二醇）甲基醚丙烯酸酯的原位共聚来制备氰基增强的SSPE，以改善高压LMB的循环性。在这种SSPE中，具有低负静电势的氰基可以在充电过程中优先与LiCoO₂发生强相互作用，从而有效地抑制了EO链段的分解。此外，形成了富氮和富LiF的稳定正极电解质中间相（CEI），这进一步提高了基于EO的SSPE与LiCoO₂正极的相容性。另外，这种原位聚合策略不仅简化了制备过程，而且有效抑制了SSPE的结晶。结果，LiCoO₂/Li的电池显示出优异的循环性，在60℃和4.4 V下循环500次后，容量保持率为80.7%，在环境温度和4.5 V下循环100次后，容量保持率为93.5%。这种简单有效的氰基增强设计策略对基于EO-SSPE的高压LMBs的合理设计具有里程碑式的重要意义。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.ensm.2021.01.017

2、Angew. Chem. Int. Ed.：锂金属电池中LiH的形成/分解平衡及其对负极失效的影响

发现锂负极失效的根本原因是锂金属电池（LMBs）迈出应用的关键一步。在这项工作中，中科院青岛能源所崔光磊研究员等人在新型在线气体分析质谱（MS）系统中进行了氘水（D₂O）滴定实验，以测定从实际LiCoO₂/Li LMBs中拆卸的循环锂负极中金属锂和氢化锂（LiH）的含量。LiCoO₂/Li电池由超薄锂负极（50 μm）、高负载LiCoO₂（17 mg cm^-2，2.805 mAh cm^-2）和不同配方的电解液组成。研究结果表明，LiH的积累量与实际LMBs的可循环性呈负相关。更重要的是，作者揭示了一个温度敏感平衡（Li+1/2H₂⇌LiH），该平衡决定了锂负极处LiH的形成和分解过程。

原文链接：https://doi.org/10.1002/anie.202013812

3、Small：用于固态锂电池的锂导电聚合物电解质的高分子设计

在固态锂电池的发展中，固态聚合物电解质（SPE）因其热稳定性、化学稳定性、低密度和良好的加工性能而受到广泛关注。特别是SPE能有效抑制锂枝晶的形成，提高电池的安全性。然而，大多数SPE衍生自具有简单官能团的基质，存在离子电导率低、电导率改性后力学性能降低、电化学稳定性差、锂离子迁移率低等问题。将多官能团大分子设计应用于聚合物基体是从根本上解决SPE问题的一种策略。在此，中科院青岛能源所崔光磊研究员等人综述了基于锂导电基团的高分子设计，包括共聚、网络构建和接枝等。同时，还重点介绍了单离子导体聚合物的结构。此外，还综述了所设计的基质、锂盐和填料之间的协同效应，以期进一步提高SPE的性能。最后，在高能量密度和耐用性的固态电池SPE的开发中，提出了关于高分子设计的未来研究。

原文链接：https://doi.org/10.1002/smll.202005762

本文由月轮供稿。

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