4年读完博士，27岁当博导，颜值与实力并存！她，最新Science子刊探索电池技术关键难题！
纳米人
2021-12-05
在全球范围内，电池技术的发展已经难以满足人类社会对未来的期望。这些美好的期望，进一步对科学家和工程师科技创新提出了更高的要求：更高的能量密度、更快的充电速度、更安全、更廉价。于是，在锂电池之外，基于多价金属的锌电池、镁电池、铝电池等新一代电池走进人们的视野。这些电池具有超高的理论容量、丰富的地球储量，被誉为下一代储能技术解决方案。然而，无论是哪一种电池，在充电过程中总会产生无序的金属结晶，从而导致负极可逆性差循环寿命较低，这是金属基电池技术应用以来长期面临的关键挑战。研究表明，电池电极和电解质之间的化学/电化学转化形成的中间相，对于调节金属负极的离子传输和电沉积形态至关重要。在锂电池中，通过设计良好的固体电解质中间相 (SEI)可以促进离子去溶剂化，排斥带电界面处的游离电解质分子，以及操纵局部离子传输电动势。问题在于：对于高容量负极材料而言，在电池进行深度循环的实际应用过程中，人造SEI通常会发生破裂，电解质成分将会进入负极并被还原，导致消电解质被消耗并显著降低负极的可逆性。为了解决这些问题，科学家发展了各种各样的策略，但是都没有得到彻底改善。为了在电池内部形成动态中间相以调节低容量或高容量的金属沉积，中间相必须至少满足三个标准：1）必须是不导电的，以便于金属进行电沉积而不会发生自动短路；2）必须是各向异性的，并且在电场下表现出优先取向；3）必须表现出与特定金属晶面的强相互作用，实现特定方向的优先沉积生长。基于以上认识，浙江大学陆盈盈研究员，康奈尔大学Lynden A. Archer等人选择研究Zn金属负极作为模型体系，系统研究了动态界面介导的组装如何实现深度循环金属电池。作者认为，Zn金属负极优点突出，可以使用水作为电解质溶剂，具有相对较高的体积容量（Zn：5855 A·h L-1）。相比之下，石墨负极为 790 A·h L-1，锂负极为 2066 A·h L-1。此外，Zn金属负极具有本质安全性和成本效率特性。在液/固界面，Zn的杨氏模量 (Zn, 108 GPa) 比其他金属更高 (Mg,45 GPa; Al, 69 GPa)，强大的 Zn 沉积物很容易突破任何障碍，使电池不容易短路，这就意味着基于 Zn 的电池对金属的不均匀/不致密沉积的耐受性要低得多。研究人员首先在含有石墨化 C3N4 (g-C3N4) 纳米片的简易胶体电解质中形成人工中间相，然后通过动态吸附的形式，得到致密且垂直排列的 Zn 电沉积。之所以选择g-C3N4纳米片，是因为它们与六方密堆积 (HCP) Zn 的晶体学高度匹配，可以在沉积/剥离过程中动态吸附/解吸在(0002) Zn 晶面上。图2. 电场作用下，取向中间相和Zn电沉积形成过程原位定量实验表明，有序的Zn沉积导致每个循环期间Zn的消耗量显著减少，副产物的积累也得到明显改善。在人工界面的动态调节下，研究团队实现了在深循环条件下（6~20 mA·h cm-2）高达~99.8%的Zn可逆性，堪称前所未有！此外，累积容量也高达2520 mA·h cm-2，适用于面积容量高达 20 mA·hcm-2 的实用性水性Zn金属电池（AZMB）。作者认为，动态界面的概念还可以扩展到Mg和Al电等多价金属电池中，实现Mg和Al电沉积的致密组装，为深循环金属电池的发展提供了一条全新的途径。2010年6月毕业于浙江大学化学工程与生物工程学院，获得学士学位;2014年6月获得美国康奈尔大学（Cornell University）博士学位;博士毕业后在康奈尔大学和斯坦福大学（Stanford University）从事能源材料领域博士后研究工作。2015年入选国家海外人才引进计划（青年项目）;于2015年10月全职回浙江大学工作。
独立工作以来，发表SCI论文40余篇，引用6300余次，H因子为36。其中以第一/通讯作者在Nat. Mater. 、Sci. Adv.、Nat. Commun. 等期刊上发表论文32篇，4篇为ESI高被引论文。主持国家自然科学基金委优秀青年基金、面上项目2项、国家重点研发计划1项（青年首席）；入选中组部“万人计划”领军人才、国家科技部中青年领军人才计划。担任中国化工学会储能工程专委会副秘书长、Wiley旗下Nano Select期刊副主编、《过程工程学报》及Green Energy & Environment期刊编委；组织建设了“浙江省电化学能源储存工程创新团队”、浙江大学储能工程研究中心。已授权国内外专利8项，与上海汽车集团、浙江浙能技术研究院、浙江蓝德能源科技等企业开展研发合作。获《麻省理工科技评论》中国区35岁以下科技创新35人、香港求是基金会“求是”杰出青年学者奖、“侯德榜”化工科学技术青年奖，并当选第十三届中华全国青年联合会委员。Weidong Zhang, et al,Dynamic interphase–mediated assembly for deep cycling metal batteries, Sci.Adv. 7, eabl3752 (2021)DOI: 10.1126/sciadv.abl3752https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abl3752
