湖北自然科学奖拟提名项目公示.docx
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湖北自然科学奖拟提名项目公示
2019年度湖北省自然科学奖拟提名项目公示
1.项目名称：
电池材料中离子/电子快速输运构筑及存储机理研究
2.提名单位及提名意见
提名单位：
武汉理工大学
提名意见：
电化学储能技术是新能源发展的热点，锂/钠离子电池储能因其独特的性能已成为优先发展方向之一，其关键在于锂/钠离子电池电极材料。
然而材料的离子/电子快速输运困难、效率低下、产品安全是制约储能技术发展的重大瓶颈，构建快速离子/电子传输路径、提高效率、揭示材料存储机理和离子输运规律是攻克这一瓶颈的关键科学问题。
该项目在国家863计划、自然科学基金委的资助下，针对锂/钠电极材料中离子/电子快速输运、材料存储机理和离子输运规律，开展了系统的基础性研究。
发现了三维快速离子通道的新体系通过碳包覆构筑了电子快速传输的路径，离子/电子导电性能差的材料通过纳米化缩短离子传输距离、多种碳复合构筑电子传输通道，提高了功率密度，同时减少了副反应，提高了循环稳定性和安全性；发现了新型电解液体系，充放电过程中在电极表面形成稳定的SEI膜，减少副反应，首次将NaFSI基电解液用于钠离子电池，实现了电极材料的高效稳定循环；通过球差矫正透射电子显微技术，在原子尺度直接观察了锂/钠离子脱嵌过程中的离子占位变化，揭示了材料的存储机理和输运机制。
为新型高性能储能电池材料的研制与开发提供理论指导。
该项目发表的8篇代表性论文具有较大的国际影响力，4篇入选ESI前1%高被引论文，SCI他引1734次，单篇最高SCI他引506次，锂电先驱、国内外院士等许多国际著名学者正面引用。
同意提名该项目为湖北省自然科学一等奖。
3.项目简介
该项目属于材料科学领域。
电化学储能是发展新能源汽车、提高电网对间歇性可再生能源发电接纳能力的关键技术，锂/钠离子电池储能因其独特的性能已成为优先发展方向之一。
然而离子/电子快速输运困难、产品安全是制约储能技术发展的重大瓶颈，构建快速离子/电子传输路径、揭示材料存储机理和离子输运规律是攻克这一技术瓶颈的关键科学难题。
该项目围绕解决这一关键科学难题，遵循材料的开发和改性，构建快速离子/电子传输路径，进行了创新性和系统性的研究工作。
主要科学发现如下：
1.发现了三维快速离子通道的新体系通过碳包覆构筑了电子快速传输的路径，对于离子/电子导电性能差的材料通过纳米化缩短离子传输距离、多种碳复合构筑电子传输通道，大大提高了功率密度，同时减少了副反应，提高了循环稳定性和安全性。
2.发现了新型电解液体系，充放电过程中在电极表面形成稳定的SEI膜，减少了副反应，首次将NaFSI基电解液用于钠离子电池体系，实现电极材料的高效稳定循环。
3.在原子尺度直接观察了电极材料（包括正负极材料、锂/钠电极材料）在脱嵌锂/钠离子过程中的离子占位变化，揭示了离子的存储机理和输运机制。
在以上3个科学发现点的指导下，通过构筑电子快速传输通道，缩短离子传输路径，同时阻止活性材料与电解液直接接触，减少副反应，实现材料的高功率密度、循环稳定性和安全性等，首次报道了一系列新型电极材料：
Na3V2（PO4）3-C和多孔氮掺杂碳包覆纳米Li4Ti5O12微球等，从离子占位变化揭示了Na3V2（PO4）3、LiCoO2、TiNb2O7等材料的存储机理和输运机制。
该项目发表的8篇代表性论文包括Energy&EnvironmentalSci.、Adv.Mater.、Adv.Funct.Mater.、NanoLett.各1篇，Adv.EnergyMater.、Electrochem.Commun.各2篇。
SCI他引1734次，4篇入选ESI前1%高被引论文，单篇最高SCI他引506次，被J.B.Goodenough、G.Ceder等多位院士在内专家、学者正面引用。
该项目成果应邀在Adv.Mater.（2017,29,1601925,ZelangJian,Yong-shengHu，XiuleiJi,WenChen）上撰写了题为“储能电池中快离子导体材料”的综述。
4.第三方客观评价
代表论文1：
美国德州大学奥斯汀分校、美国科学院院士、锂离子电池先驱J.B.Goodenough教授在代表引文1（Angew.Chem.Int.Ed.2016,55,12768-12772）中指出：
“ParticularinterestshavealsobeenfocusedonsodiumstorageinNASICON（NaSuperIonicConductors）-typecompoundsbecauseoftheirstructuralstability,theirlargeionicchannels,andtheabundanceofsodiuminsertionsites.[25–27]”快离子导体材料具有结构稳定，大的离子通道以及钠离子存储位点多，因此受到关注，代表论文被选为快离子导体Na3V2（PO4）3的代表，凸显我们工作的重要性，同时阐述了Na3V2（PO4）3材料作为钠离子导体的优势。
参考文献27为代表论文1。
代表论文2：
新加坡南洋理工大学SrinivasanMadhavi教授发表的代表引文2（ChemSusChem,2014,7,1858-1863）中指出：
“Therefore,achievingahigherenergydensitytodriveHEVsandEVscompletelydependsontheutilizationofahigh-capacityinsertionanodewithhighreversibility.[5,23,24]”。
发展高能量密度混合动力和纯动力电动汽车取决于高容量可嵌入负极材料的开发，验证了代表论文2的创新性。
参考文献24为代表论文2。
代表论文3：
北京理工大学、中国工程院吴峰院士和美国阿贡国家实验室KhalilAmine合作发表的代表引文3（Nat.Commun.2016,7,11774）指出“Moreover,themicroporousCNxshellwithhighnitrogencontentsinducesnumerouspyridine-andpyrrole-likedefects,addsLiinsertionsitesanditthusenhancesListoragecapacity.Second,core–shellnano-architecturepreventsfracture,wheretheCuOcoreisstabilizedmechanicallybytheCNxshell.TheelasticCNxlayersarealsobelievedtostabilizetheelectrode/electrolyteinterfaceandthuseffectivelyenhancethecyclestabilityandhighratecapability38,39,45”。
强调氮掺杂碳（CNx）包覆层可以保护内层材料、稳定结构，提高材料的倍率性能（电子电导提高）。
参考文献45为代表论文3。
代表论文4：
日本著名电池专家S.Komaba教授在发表的代表引文4（Chem.Rev.（2014,114,11636-11682））中指出：
“Researchprogressonfullcellsisalsoreportedinthephosphatesystem.Na3V2（PO4）3hasbeenusedasthepositiveelectrodeandassembledthe3V-classfullcellwiththehardcarbonnegativeelectrodeintheNaFSA/PCelectrolyte.390”。
指出我们工作采用NaFSA（I）/PC作为Na3V2（PO4）3为正极的钠离子电池电解液，强调了我们设计出3V钠离子全电池，突出了我们工作的原创性。
参考文献390为代表论文4。
代表论文5：
美国西北太平洋国家实验室、国际材料研究学会会士JunLiu教授在发表的代表引文5（Adv.Mater.2014,26,2901–2908）指出：
“Theelectrochemicalpropertiesofrechargeablebatteriesdependgreatlyonthearchitectureofelectrodematerialsandtheinterfacialreactionsbetweenelectrolyteandelectrodes,inparticularthesolidelectrolyteinterphase（SEI）layersformedontheelectrodesurfaces.[3b,5e,9]”和“TheSEIfilmisevenmorecriticalforNIBsduetothehighchemicalreactivityofNaandtheNa+-intercalatedanodematerials.[5e,7b,11]”。
多次引用我们的工作，指出电池的性能取决于表面生成的SEI膜，对钠离子电池特别重要，凸显我们采用新型电解液（NaFSI基电解液）的优势，能够极大的提高电池的循环性能。
代表论文6：
韩国世宗大学Yang-KookSun教授在代表引文6（ChemicalSocietyReviews,2017,46,3529-3614）中大段评述本研究的成果：
“Jianetal.furtheranalyzedthecrystalstructureduringtheelectrochemicalreaction.215AsmentionedinFig.18a,Naatomsarelocalizedtotwodifferentsites（6b,M1and18e,M2）inNa3V2（PO4）3.TheflatcurveduringdesodiationofNa3V2（PO4）3indicatesabiphasicreactionbasedontheV3+/4+redoxreactionasaresultofNa+extractionattheM2site,whichisrelatedtotheformationofNaV2（PO4）3,inwhichonlyoneNa（6b,M1）residesinthecrystalstructure.NMRfurtherrevealedthat,inNa3V2（PO4）3,theNaatomswerenotrandomlydistributedatM2sites,butappearedinanorderedarrangementlocally;anNa+ionattheM2sitesinNa3V2（PO4）3ismobile,whereasanNa+ionattheM1siteisimmobile,correspondingto2molNa+performulaunitinNa3V2（PO4）3,while1molNa+performulaunitinNa3V2（PO4）3canretaintheframeworkduringtheelectrochemicalreaction.”充分肯定了代表论文6中阐明的Na+离子在Na3V2（PO4）3结构中的传输机制以及存储机理，参考文献215为代表论文6。
代表论文7：
韩国蔚山国立科学技术研究院的JaephilCho教授发表的代表引文4（Adv.Mater.,2017,29,1605578）中用长篇幅对本论文进行了评述，指出：
“PreviousstudiesreportedthatLiCoO2candeterioratethroughaphasetransitionfromanO3layeredphasetoanO1monocliniconestartingatx=0.5.[27–31]ThisphasetransitionoriginatesfromtheoxygenlayerslipbecauseoftheincreasedCoulombicrepulsionbetweenadjacentoxygenlayers,followedbylithiumvacanciescreatedduringcharge.[2,30,31]ThatiswhyLiCoO2showsadramaticdecreaseofthec-axislatticeparameterafterx=0.6,althoughthislatticeparameterincreasesslightlyduringtheinitialcharge（FigureS3,Supportinginformation）.Furthermore,arecentstudyusinghigh-resolutionscanningtransmissionelectronmicroscopy（HR-STEM）supportsthatLiCoO2undergoesaphasetransitiontoO1andO2phasesaccompaniedbythechangeofplanardistanceofplane（003）,duetotheoxygenoxygenrepulsionandtheoxygenlayerslipduringthechargeprocess.[31]”充分肯定了透射电镜技术在LiCoO2脱嵌Li+离子时的结构变化、Li+离子存储和输运研究中的作用。
同时指出：
“The（003）peaksofLiCoO2andLiCo0.9Ni0.1O2arepositionedat19.02°and19.04°,respectively,andthesevaluesmatchwellwithpreviousreportsofO3-stacking-typelayeredstructures.[30,31]”，以及“TheformerindicatesthediffractionpatternofO1-typeCoO2along[100]Trigonaldirection（FigureS9,SupportingInformation）.Thedvalueof4.30Åisverysimilartothepreviouslyreportedvalueof4.29Å,[31,32]andthevalueof4.28ÅcalculatedinthisstudyfrominsituXRDofLiCoO2at4.8V.”。
充分肯定了电镜技术在电极材料研究中的作用，参考文献31为代表论文7。
代表论文8：
英国剑桥大学ClareP.Grey教授在发表的代表引文8（J.Am.Chem.Soc.2016,138,8888−8899）中指出：
“ThecrystallographicshearinH-Nb2O5andrelatedcompoundssuchasTiNb2O763,64precludesthesetiltinganddistortionmodesthatarecommoninperovskites,whichwillhaveimplicationsforLi+mobilitywithintheperovskiteblocks.”。
引用我们TiNb2O7的相关工作，指出结构对Li+迁移的影响，展现了我们对TiNb2O7材料中Li+离子存储机理研究的贡献。
文献63为代表论文8。
本项目发表的8篇代表论文被Chem.Rev.,Chem.Soc.Rev.,NatureCommun.,Adv.Mater.等著名学术期刊的综述和研究论文SCI他引为1734次，单篇最高SCI他引506次，平均每篇SCI他引次数超过200次。
并获得国际锂电先驱J.B.Goodenough，英国剑桥大学知名教授ClareP.Grey教授，北京理工大学吴锋院士等国内外知名学者的引用和正面评价。
5.代表性论文专著目录
序号
论文专著
名称/刊名
/作者
年卷页码
（xx年xx卷
xx页）
发表时间年月日
通讯作者
第一作者
国内作者
SCI
他引次数
他引总次数
是否包含国外单位
1
CarboncoatedNa3V2（PO4）3asnovelelectrodematerialforsodiumionbatteries./ElectrochemistryCommunications/ZelangJian,LiangZhao,HuilinPan,Yong-ShengHu,HongLi,WenChen,LiquanChen
2012,14,86-89
2012-01-01
胡勇胜，陈文
简泽浪
简泽浪，赵亮，潘慧霖，胡勇胜，李泓，陈文，陈立泉
364
368
否
2
LiNb3O8asanovelanodematerialforlithium-ionbatteries/ElectrochemistryCommunications/ZelangJian,XiaLu,ZhengFang,Yong-ShengHu,JingZhou,WenChen,LiquanChen
2011,13,1127-1130
2011-10-01
胡勇胜，陈文
简泽浪
简泽浪，卢侠，方铮，胡勇胜，周静，陈文，陈立泉
28
28
否
3
PorousLi4Ti5O12CoatedwithN-DopedCarbonfromIonicLiquidsforLi-IonBatteries/AdvancedMaterials/LiangZhao,Yong-ShengHu,HongLi,ZhaoxiangWang,andLiquanChen
2011,23,1385–1388
2011-03-18
胡勇胜，陈立泉
赵亮
赵亮，胡勇胜，李泓，王兆翔，陈立泉
506
514
否
4
SuperiorElectrochemicalPerformanceandStorageMechanismofNa3V2（PO4）3CathodeforRoom-TemperatureSodium-IonBatteries/AdvancedEnergyMaterials/ZelangJian,WenzeHan,XiaLu,HuaixinYang,Yong-ShengHu,JingZhou,ZhibinZhou,JianqiLi,WenChen,DongfengChen,andLiquanChen
2013,3,156–160
2013-02-01
胡勇胜，陈文，陈东风
简泽浪，韩文泽，卢侠
简泽浪，韩文泽，卢侠，杨槐馨，胡勇胜，周静，周志斌，李建奇，陈文，陈东风，陈立泉
363
364
否
5
SodiumStorageandTransportPropertiesinLayeredNa2Ti3O7forRoom-TemperatureSodium-IonBatteries/AdvancedEnergyMaterials/HuilinPan,HuilinPan,XiaLu,XiqianYu,Yong-ShengHu,HongLi,Xiao-QingYang,LiquanChen
2012,2,1751–1754
2013-05-13
胡勇胜
潘慧霖
潘慧霖，卢侠，胡勇胜，李泓，陈立泉
237
237
是
6
AtomicStructureandKineticsofNASICONNaxV2（PO4）3CathodeforSodium-IonBatteries/AdvancedFunctionalMaterials/ZelangJian,ChenchenYuan,WenzeHan,XiaLu,LinGu,XuekuiXi,Yong-ShengHu,HongLi,WenChen,DongfengChen,YuichiIkuhara,andLiquanChen
2013,3,1186–1194
2014-07-16
谷林，郗学奎，胡勇胜
简泽浪，袁晨晨
简泽浪，袁晨晨，韩文泽，卢侠，谷林，郗学奎，胡勇胜，李泓，陈文，陈东风，陈立泉
117
117
是
7
NewInsightintotheAtomicStructureofElectrochemically
DelithiatedO3-Li（1−x）CoO2（0≤x≤0.5）Nanoparticles/NanoLetters/XiaLu,YangSun,ZelangJian,XiaoqingHe,LinGu,Yong-ShengHu,HongLi,ZhaoxiangWang,WenChen,XiaofengDuan,LiquanChen,JoachimMaier,SusumuTsukimoto,andYuichiIkuhara
2012,12,6192-6197
2012-12-01
谷林，胡勇胜
卢侠，孙洋，简泽浪，
卢侠，孙洋，简泽浪，贺小庆，谷林，胡勇胜，李泓，王兆翔，陈文，段晓峰，陈立泉
26
27
是
8
Atomic-scaleinvestigationonlithiumstoragemechanisminTiNb2O7/Energy&EnvironmentalScience/XiaLu,ZelangJian,ZhengFang,LinGu,Yong-ShengHu,WenChen,ZhaoxiangWang
andLiquanChen
2011,
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