项目2自然科学奖

1、项目2：自然科学奖电极材料的表界面调控及其与能量存储的构效关系一、项目简介作为高效的电化学储能器件，锂离子电池和超级电容器已广泛应用于电子设备中。然而，电动汽车、新能源存储、可穿戴智能设备以及航空航天等领域对其能量密度、功率密度、安全性、环境负荷及可穿戴便携性提出了更高的要求。电极材料的表界面结构以及界面上的电化学反应对提高器件的能量密度、功率密度等至关重要。因此，阐明电极材料的表界面效应、以及电荷输运与存储机制是提高电化学储能器件性能的关键科学问题。本项目围绕上述关键科学问题，首先，设计并合成了多种新型结构的电极材料，系统研究了电极的表界面结构对储能器件性能的影响，探索出了能量存储的微观过程

2、与机制；进而，提出了集流体、活性材料和电解液之间的表界面结构与能量存储的构效关系，实现了对器件性能的调控，成功构建出了具备高能量密度、快速充放电能力和稳定循环性能的电化学电极。主要创新点有:（1） 设计并制备出多种三维超轻、柔性和高导电的纳米集流体材料，阐明了集流体材质、微纳结构与形貌也是影响电荷输运性能的重要因素之一，并成功优化了活性材料在集流体上的分布和界面结构，实现了电子和离子的快速转移及活性材料单位负载量的大幅增加，提升了器件能量密度、倍率性能和循环稳定性。特别是提出了高柔性自支撑三维石墨烯结构，制备出了高性能的柔性超级电容器原型器件，成果发表后引起同行专家的极大关注，目前论文他引次数

3、达785次，被评为“2013中国百篇最具影响国际学术论文”。谢毅院士在Chemical Society Reviews上评价“这种三维石墨烯网络结构具有优异的力学性能，使其非常有希望用于制造柔性储能器件中”。（2） 研究了一些典型的新型锂离子电池负极材料，包括转换型的金属氧化物NiO、MnO、Co3O4、Fe3O4、CuO、SnO2，合金型的半导体Si、Ge等。探索了活性材料和集流体的匹配关系，提出了电极材料的表界面结构与能量存储的构效关系。特别是对NiO材料的研究，首次用原位热氧化结合表面纳米改性等技术实现了超高活性材料负载量的获得，构建了牢固、接触良好的集流体/活性材料界面，实现了优异的循

4、环性能和倍率性能。系列成果发表在Journal of Materials Chemistry上，目前有3篇论文他引超过100次，单篇最高他引226次，包括刘忠范院士课题组在Chemical Reviews上的多次引用。（3） 将结构、界面和性能的构效关系优化后的电极应用于储能器件中，制备出Ge/LCO全电池，充分利用集流体自支撑特性和表界面结构优势，全电池基于正负电极质量的能量密度达到475 Wh/kg，功率密度高达6587 W/kg。直接证明了结构、界面和性能的构效关系优化不仅能够提升电极循环性能还能大幅度提升电池能量密度。同时，提出电池的放电深度控制理论，通过电压窗口调控，大幅度提升了电池

5、的循环性能、库伦效率和能量转换效率，相关技术已被产业界应用。本项目在国家自然科学基金和教育部高校博士点基金资助下，截止2016年，在Adv. Mater.、ACS Nano、Nano Energy、Small、J. Mater. Chem.等SCI国际学术期刊上发表论文96篇，总被引用4100余次。其中8篇曾入选ESI高被引论文，单篇最高他引785次，入选“中国百篇最具影响国际学术论文”1篇。二、主要完成人情况表姓名排名技术职称工作单位完成单位对本项目技术创造性贡献曾获科技奖励情况贺德衍1教授兰州大学兰州大学研究项目的主要设计者、组织者和实施者。对主要发现点的第1、2、3点均作出了贡献，是代表

6、性论文2-7的通讯作者。无谢二庆2教授兰州大学兰州大学研究项目的设计者、组织者和实施者。对主要发现点的第1点作出了贡献，是代表性论文1、8的通讯作者。无何勇民3博士后新加坡南洋理工大学兰州大学研究项目的主要实施者。对主要发现点的第1点作出了贡献，是代表性论文1的第一作者。无王星辉4教授福州大学兰州大学研究项目的主要实施者。对主要发现点的第2点作出了贡献，是代表性论文2-4的第一作者。无刘德全5副教授兰州大学兰州大学研究项目的主要实施者。对主要发现点的第1点作出了贡献，是代表性论文6的第一作者。无李秀万6讲师华侨大学兰州大学研究项目的主要实施者。对主要发现点的第1、3点作出了贡献，是代表性论文5

7、、7的第一作者。无潘孝军7副教授兰州大学兰州大学研究项目的主要组织者，对主要发现点的第1点作出了贡献，是代表性论文8的通讯作者。无付玉军8工程师兰州大学兰州大学研究项目的主要实施者。对主要发现点的第1、3作出了贡献，是代表性论文7的合作作者。无周金元9教授兰州大学兰州大学研究项目的主要组织者，对主要发现点的第1点作出了贡献，是代表性论文8的合作作者。无刘奇明10副教授兰州大学兰州大学研究项目的主要实施者。对主要发现点的第2点作出了贡献，是代表性论文2的合作作者。无三、代表性论著序号论文、专著名称/刊名/作者影响因子(3年)年卷页码年(卷):页码发表年月通讯作者/第一作者(中文名)SCI他引次数

8、他引总次数是否国内完成1Freestanding three-dimensional graphene/MnO2 composite networks as ultra light and flexible supercapacitor electrodes, ACS Nano, Yongmin He*, Wanjun Chen, Xiaodong Li, Zhenxing Zhang, Jiecai Fu, Changhui Zhao, Erqing Xie*.13.672013 7 (1) 174-1822013年1月 何勇民, 谢二庆/何勇民785785是2Nanostructured

9、NiO electrode for high rate Li-ion batteries, J. Mater. Chem., Xinghui Wang, Xiuwan Li, Xiaolei Sun, Fei Li, Qiming Liu, Qi Wang, Deyan He*.9.022011 21 (11) 3571-35732011年1月 贺德衍/王星辉226226是3NiO nanocone array electrode with high capacity and rate capability for Li-ion batteries, J. Mater. Chem., Xing

10、hui Wang, Zhibo Yang, Xiaolei Sun, Xiuwan Li, Desheng Wang, Peng Wang, Deyan He*.9.022011 21 (27) 9988-99902011年5月 贺德衍/王星辉133133是4Mesoporous NiO nanosheet networks as high performance anodes for Li ion batteries, J. Mater. Chem. A, Xinghui Wang, Li Qiao, Xiaolei Sun, Xiuwan Li, Duokai Hu, Qing Zhang

11、, Deyan He*.9.022013 1 (13) 4173-41762013年2月 贺德衍/王星辉138138是5Interconnected porous MnO nanoflakes for high-performance lithium ion battery anodes, J. Mater. Chem., Xiuwan Li, Dan Li, Li Qiao, Xinghui Wang, Xiaolei Sun, Peng Wang, Deyan He*.9.022012 22 (18) 9189-91942012年3月 贺德衍/李秀万117117是6Preparation

12、of nano-networks of MnO2 shell/Ni current collector core for high-performance supercapacitor electrodes, J. Mater. Chem., Dequan Liu, Qi Wang, Li Qiao, Fei Li, Desheng Wang, Zhibo Yang, Deyan He*.9.022012 22 (2) 483-4872012年1月 贺德衍/刘德全6767是7Germanium Anode with Excellent Lithium Storage Performance i

13、n a Germanium/Lithium-Cobalt Oxide Lithium-Ion Battery, ACS Nano, Xiuwan Li, Zhibo Yang, Yujun Fu, Li Qiao, Dan Li, Hongwei Yue, Deyan He*.13.672015 9 (2) 1858-18672015年2月 贺德衍/李秀万6565是8Highly flexible freestanding porous carbon nanofibers for electrodes materials of high-performance all-carbon supercapacitors, ACS