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对于处理复杂材料体系中的量子效应,的获奖报告

来源:http://www.reliabid.com 作者:新宝2登陆 时间:2020-01-02 01:50

近日,深圳研究生院新材料学院在新材料的设计与模拟计算等基础理论方法开发领域取得新进展,为加速新能源材料的设计开发提供了有效的理论模型和计算方法。此项工作由深圳研究生院新材料学院院长潘锋教授与陶国华副教授合作完成,研究论文以快报形式刊发于最新一期化学物理杂志(Journal of Chemical Physics, )上面,该杂志是理论化学国际性权威杂志,是原子、分子、化学物理领域引用率最高的期刊之一。

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锂离子电池作为一种清洁能源储能器件,目前已经广泛应用于工业生产和日常生活中。随着能源与环境的压力日益增大,人们对锂离子电池的要求越来越高,尤其是高功率密度的动力电池,作为应用最广的一种锂离子电池正极材料,镍钴锰三元锂离子氧化物材料(NMC)以其扩散性能好、环境友好性高、储能密度高等优点,一直备受人们的关注。特斯拉电动汽车使用的动力电池材料就类似这种材料。电动汽车会在高温的盛夏及寒冷的严冬行驶,所以所使用的电池材料需要好的高低温性能,这就需要人们从机理上去研究揭示材料内部锂离子的输运机理及相关的温度效应,从而提高电池在不同使用温度下的充放电倍率性能。但是,目前对于用于动力电池的NMC三元材料的温度效应的扩散动力学研究还不够深入和系统,尤其是温度、层状材料的层间距等因素影响扩散系数方面缺乏深入研究,因此什么样配比的NMC三元材料具有最好的高低温性能尚未被发现。

目前,如何能够对实际的复杂材料体系进行精确有效的静态、特别是动态的模拟和计算是全球具有挑战性的课题之一。深圳研究生院新材料学院已经将新材料的“DNA”(“密码”)研究,特别是新型清洁能源(柔性太阳能电池和电动汽车动力电池)材料的“DNA”设计与模拟计算作为研究和开发的重点。该学术论文的价值与意义在于,提出和建立对复杂材料体系的动态过程进行优化路径的选择,并有效地抓住问题的关键、提高运算效率、缩短设计模拟新材料的时间。

北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋教授获2018年度美国电化学会电池科技奖新宝2登陆 ,,在日前由美国电化学学会、SMEQ、SBEE、SIBAE和ACEQ联合举行的第234次美国电化学和固体科学国际会议会上,潘锋进行了题为“锂电池材料的晶体结构和界面结构与性能研究”的获奖报告,此次会议有来自世界各地相关研究领域约2000人出席。

北京大学深圳研究生院新材料学院潘锋教授团队在前期NMC三元材料研究工作中【J. Am. Chem. Soc.,2015,137 (26),pp 8364–8367】,系统地研究了充放电脱锂状态以及过渡金属元素成分比例对锂离子扩散的影响,最近他们在此基础上进一步研究了NMC三元材料的高低温扩散动力学及在寻找具有最佳高低温性能的三元材料方面取得重要突破。他们通过电化学GITT扩散系数测量系统地研究了一系列三元材料锂离子扩散系数的温度效应,首次发现其中一种NMC三元(LiNi0.6Mn0.2Co0.2O2 称为NMC622)材料具有最大的扩散系数,同时具有很小的温度效应,即能够在极低和极高温度下很好地工作,从而用其所做成的电动车动力电池能够克服气候环境的制约。他们进一步采用结构测量和第一性原理计算发现NMC622材料拥有最大的锂层间距是其具有最大扩散系数和最小温度依赖的根本原因。此研究不仅预测了NMC622材料是一种有潜力的能够在复杂环境下工作的正极材料,也为新的高性能层状材料的研发设计提供了重要的理论指导。上述成果近期发表在国际顶级能源材料杂志上Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201501309,SCI,影响因子16)上。Materials Views作了相关的报道。

新材料的“DNA”(“密码”)研究是从分子水平设计和开发新材料,而其中涉及的动态相互作用是关键性问题。在材料的分子动力学过程中,量子效应往往发挥着举足轻重的作用,比如纳米尺度上的载流子输运、新一代清洁能源中光伏效应和动力电池的储能性质与充放电过程等等。对于处理复杂材料体系中的量子效应,半经典初值表示方法是目前最为经济有效的代表性方法。半经典初值表示方法基于经典轨线的相空间统计平均,通过考虑轨线间的相干引入量子效应。对于一般的时间关联函数半经典初值表示式包含相空间的双重积分,因此对于复杂的分子体系,其运算量十分巨大。

报告对新材料学院近年来在储能和动力电池及材料领域取得的进展进行了总结和展望,介绍了团队在电动车动力电池产业应用的正极材料如磷酸铁锂和三元层状材料的“材料基因”与功能、负极碳材料的界面无机电解质膜的形成机理及新型超浓电解质溶液的结构与电化学窗口的相关性等研究进展。报告提及,将电化学方法与称量原子/分子重量石英微天平、观察原子尺度形貌的原子力显微镜和监测产生极微量气体组成的微分质谱进行巧妙协同策略,实现了原位定量监测在不同电位下碳负极界面SEI的形成过程,该工作发表在最近的《自然·纳米技术》上。

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此前不含任何进一步近似的半经典初值表示方法只能较好地描述体系中只包含几个自由度动力学过程。本篇研究是发现了一种新方法,该方法应用统计力学重点取样的核心思想,通过考虑轨线间的关联性大幅度提高计算半经典时间关联函数的运算效率。新方法目前已成功描述了多达21个自由度的复杂分子体系的量子相干效应。

获奖证书

 

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