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湖北省北京大学校友会副会长黄云辉团队一天连发三篇顶刊!

浏览次数:1494 次    更新时间:2023年02月17日


人物介绍 



       黄云辉,湖北省北京大学校友会副会长,华中科技大学教授、博导,校学术委员会的副主任,国家杰出之青年科学基金获得者,国务院政府的津贴获得者。分别于1988、1991和2000年在北京大学就读,拥有学士、硕士和博士三学位,高小霞先生和徐光宪先生是他的老师,从事于电分析化学和稀土无机化学研究;2002年任复旦大学副教授,期间在日本东京工业大学作为JSPS研究员开展磁电阻功能材料方面的合作研究,2004-2007年在美国得州大学奥斯汀分校师从John B. Goodenough教授(2019年诺贝尔化学奖得主)从事锂离子电池和固态氧化物燃料电池研究。


       黄教授于2008年回国,到华中科技大学参加工作,动力与储能电池实验室是黄教授亲自创建的,2010-2017年荣任学术委员会主任和材料科学与工程学院院长。参与的研究领域是锂离子动力与储能电池、下一代锂硫和锂-空气电池、钠离子电池、固体氧化物燃料电池,在“Science、Chem. Soc. Rev.、Joule、Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Nat. Commun.”等学术期刊上,发表学术论文累计高达500余篇,其中ESI高被引论文70篇、热点论文12篇,2篇论文入选年度“中国百篇最具影响力的国际论文”,被引用接近4.1万余次。


       2018-2021年入选柯睿维安材料领域高被引科学家、爱思唯尔中国高被引学者,授权或发表专利70余项。锂离子电池正极材料、快充技术、电池健康状态超声检测技术等成果已实现应用。
黄教授在2012年获中国侨界贡献奖(创新人才),2015年获教育部自然科学一等奖、2016年获国家自然科学二等奖,2020年获湖北省自然科学一等奖。


个人主页:

http://faculty.hust.edu.cn/huangyunhui/zh_CN/index/1415858/list/index.htm
2023年1月13日,黄云辉教授及其合作者一同当天上线三篇电池顶刊成果。



1
AM:用于水系锌金属电池的新型锌盐

        具有低成本和卓越的安全性的水系锌离子电池(ZIBs)是最有前景的储能解决方案,但其受到与电解液密切相关的化学和电化学降解的影响。



图1 设计的Zn(BBI)2盐及其电解液的结构和性能


       华中科技大学黄云辉教授、麻省理工学院贾龙教授和李巨教授报告了一种新的锌盐设计和一种用于长循环寿命水基锌离子电池的电解质方案。合理设计阴离子基团N-(苯磺酰基)苯磺酰胺(BBI-)的Zn(BBI)2盐具有特殊的两亲性分子结构,结合了亲水基团和疏水基团的优点,其溶解度和界面条件可以适当调节。


       此外,这种新的锌盐不含氟,并且可以通过高收率和低成本的方法合成。研究表明,1M Zn(BBI)2水溶液电解质具有较宽的阴极稳定窗口,能有效稳定锌金属/H2O界面,减少化学和电化学降解。因此,有可能对称地使用锌金属电极并完全电池化。



图2 Zn||Cu和Zn||Zn电池的性能


       电化学性能测试表明,在没有任何添加剂或复杂电极修饰的情况下,Zn||Zn对称电池在2ma cm2下的循环寿命大于2800小时,在20ma cm2下的循环寿命大于700小时。当与整个电池中的聚苯胺(PANI)正极配对时,所设计的电解质可以在5ag1的高电流密度下实现超过2000次循环的长寿命,与使用1M ZnSO4、1M Zn(TFSI)2和1M Zn(OTf)2电解质的对照电池相比,具有优异的库仑效率和能量效率。总的来说,这项工作强调了锌盐中阴离子基团设计对持久、安全、经济和高效ZIBs的关键作用,并为其他水基电化学器件的发展提供了启示。


图3 Zn||PANI全电池的电化学性能


A New Zinc Salt Chemistry for Aqueous Zinc-Metal Batteries. Advanced Materials 2023. DOI: 10.1002/adma.202210055
2
EnSM:一种用于超长寿命可充锌离子电池的水系电解液共溶剂



       锌枝晶严重和游离H2O活性高导致的析氢反应阻碍了水基锌离子电池的商业化。调整Zn2+的溶剂化结构是解决上述问题的直接方法。



图1 电解液设计


       华中科技大学黄云辉教授等四甲基脲(TMU)是一种极性溶剂,被设计为水电解质中的助溶剂,它可以通过-C=O基团与Zn2+和H2O形成强相互作用,重塑Zn2+的溶剂化结构,断裂H2O的氢键。此外,-N(CH3)2的空间排斥效应阻止H2O进入一级溶剂化结构。结果,这种协同效应降低了H2O的活性,从而抑制了锌的枝晶和HER。


图2 锌负极的循环性能


       因此,当电流密度为10ma·cm-2时,采用TMU基电解液的Zn||Cu电池可以稳定运行6000次以上,库仑效率为99.8%,Zn||Zn电池的累积容量达到5ah·cm-2,超过了大多数涉及共溶剂的研究工作。此外,当N/P比为4时,Zn||NH4V4O10电池可以运行300次,容量保持率为68%,比没有TMU的电池(3.9%)好很多。总之,本工作表明,在分子水平上合理设计电解液组成对稳定锌阳极和实现高性能锌阳极是非常重要的。


图3 Zn||NH4V4O10全电池的性能


用于超长寿命可充电锌离子电池的含水电解质中的共溶剂。储能材料2023。DOI: 10.1016
3
EnSM:基于二维锂离子导体的聚合物电解质助力全固态锂金属电池

        不稳定的聚合物电解质-锂界面上严重的锂枝晶生长阻碍了固体聚合物电解质的发展。


图1 材料制备及表征


        华中科技大学黄云辉教授、许恒辉研究员等证明屏蔽策略显著提高了聚环氧乙烷(PEO)电解质对锂金属的界面稳定性,其中二维锂离子导体Li0.46Mn0.77PS3(LiMPS)纳米片被用作纳米尺寸的屏蔽物,以保护PEO免受矛状锂枝晶的伤害。除了物理抑制外,LiMPS由于它的二维性质、卓越的Li+导电性(30℃时为2.1×10-4 S cm-1)和对Li+的强烈吸附,还能使Li+的通量均匀化。这一策略还使PEO-LiMPS电解质在45℃时表现出2.6×10-4 S cm-1的卓越离子传导性,与裸PEO电解质相比,增加了近10倍。


图2 半电池性能和理论计算


      此外,PEO-LiMPS电解质的电化学稳定窗口(ESW)扩大到4.8V(原来的PEO为3.8V)。因此,对称Li/PEO-LiMPS/Li电池提供了超过600小时的无短路循环,lini 0.8 co 0.1 Mn 0.1 o 2/PEO-LiMPS/Li电池在0.2C下200次循环后也显示出超过80%的高容量保持率。此外,LFP/PEO-LiMPS/Li柔性电池在0.2C下230次循环后保持其初始容量的93%。总之,这种二维锂离子导电屏蔽策略为SPE提供了独特的保护机制


图3 全电池性能


       全固态锂金属电池用2D Li0.46Mn0.77PS3 Li+导体屏蔽的聚合物电解质。储能材料2023。DOI:2011年1月10日

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