能量转换与存储材料及器件

主要研究内容：

纳米材料以其新奇的纳米效应与动力学优势，为发展高效能量转换与存储材料及器件提供了新的机遇。但纳米材料本身存在比表面积大、表面能高的问题，造成其热力学稳定性差、表面副反应多。因此，如何构筑兼具动力学优势和热力学稳定的纳米能源材料成为下一代高效能源转换与存储技术研究的重点。本实验室研究人员在纳米能源材料，特别是锂离子电池用高效纳米电极材料的理性设计、可控制备等方面进行了较深入的研究，并取得了一些创新性的研究成果。主要研究内容包括：

1、纳米体系离子、电子的存储与输运特性；

2、纳微复合结构储能电极材料的表界面稳定性；

3、纳米储锂电极材料的可控构筑与储锂机制；

4、新储能体系探索与新型电解质研究。

代表性研究工作：

1.        提出“分级三维混合导电网络”指导下高倍率电极材料设计的新思想，设计并成功制备出多种具有快速充放电特性的新型纳微结构锂离子电池正负极材料，发现了“协同储锂效应”，大幅提高了电极材料的倍率性能。

具有三维混合导电网络结构的高倍率电极材料示意图

2.        通过特殊纳微结构设计和电极材料表面纳米包覆，部分解决了纳米储锂电极材料的表/界面稳定性问题。发现多种高效无机包覆材料，发展出多种高效表面纳米包覆方法，研制出多种表界面稳定的金属氧化物、合金负极等复合电极材料，大幅提高了电极材料的容量和循环次数。

金红石TiO₂纳米包覆的高倍率钛酸锂负极材料

3.        提出双重保护设计理念用于高容量合金负极材料，即联合利用核壳结构的纳米碳壳和石墨网络来解决高容量电极材料的体积膨胀、表界面和动力学问题，改善其电化学性能。

石墨烯和纳米碳壳双重保护的锗基复合负极材料的制备流程图

4.        利用石墨烯三维导电网络促进了多种正、负极材料的储锂动力学，特别是首次实现了氮氧自由基的双电子氧化还原反应，制备出具有超长循环寿命和高容量的有机–无机杂化的新型正极材料。

有机自由基聚合物/石墨烯复合正极材料

5.        设计合成出稳定的纳米孔道限域的链状小硫分子材料，从根本上解决了高比能锂-硫电池中多硫离子溶出的难题。

纳米碳孔道限域的链状硫分子充放电过程结构变化示意图

6.        研制出具有优异倍率性能和低温性能的纳微结构磷酸铁锂正极材料，并开发出低成本规模化制备技术，解决了生产中批次稳定性难题，实现了成果转化。

国内外影响：

近年来在Nature Mater.、Acc. Chem. Res.、Adv. Mater.(17篇)、J. Am. Chem. Soc. (8篇)、Energy Environ. Sci. (3篇)等期刊发表SCI论文100余篇，影响因子大于9的论文30多篇。发表论文他人引用4000多次，单篇他引最高超过300次，h指数达32（即，有32篇发表的论文单篇至少被引用32次）。其中，2008年发表在Adv. Mater.第15期上的研究进展文章被选为当期卷内插画，成为2008全年度Most-Accessed文章之一，2009年还被评为The Best of Advanced Materials论文之一（1000篇Adv. Mater.论文中评出12篇）。发表在Energy. Environ. Sci.期刊上的Perspective论文（Energy. Environ. Sci. 2011, 4, 1634）被选为Back Cover。申请国际PCT专利8项，中国专利35项，拥有授权发明专利10项，成果转化1项。在国际和双边会议获得特邀报告10余次。

曾获“中国化学会青年化学奖”；“SCOPUS寻找未来科学之星”纳米科学领域金奖；“中国电化学会青年奖”；“中国科学院在北京科技成果转化奖二等奖”（排名第一）；及中国材料研究学会科学技术奖二等奖（排名第一）。2012年获得国家杰出青年科学基金，并入选中央组织部首批“青年拔尖人才支持计划”。现兼任中国材料研究学会青年工作委员会理事会理事；中国硅酸盐学会固态离子学分会理事、副秘书长；中国化学会电化学委员会委员和“化学电源”领域召集人。2011年当选美国麻省理工学院《Technology Review》“全球杰出青年创新家TR35”；2012年入选美国国家地理新兴探索者（The National Geographic Emerging Explorers）。

代表性论文：

1.        S. Xin, Y.-G. Guo, L.-J. Wan. Nanocarbon Networks for Advanced Rechargeable Lithium Batteries. Acc. Chem. Res., 2012, 45, 1759-1769

2.        S. Xin, L. Gu , N.-H. Zhao, Y.-X. Yin, L.-J. Zhou, Y.-G. Guo, L.-J. Wan. Smaller Sulfur Molecules Promise Better Lithium-Sulfur Batteries. J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 18510-18513

3.        Y.-Q. Wang, L. Gu, Y.-G. Guo, H. Li, X.-Q. He, S. Tsukimoto, Y. Ikuhara, L.-J. Wan. Rutile-TiO₂ Nanocoating for a High-Rate Li₄Ti₅O₁₂ Anode of a Lithium-Ion Battery. J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 7874-7879

4.        D.-J. Xue, S. Xin, Y. Yan, K.-C. Jiang, Y.-X. Yin, Y.-G. Guo, L.-J. Wan. Improving the Electrode Performance of Ge through Ge@C Core-Shell Nanoparticles and Graphene Networks. J. Am. Chem. Soc., 2012, 134, 2512-2515

5.        F.-F. Cao, J.-W. Deng, S. Xin, H.-X. Ji, O.-G. Schmidt, L.-J. Wan, Y.-G. Guo. Cu-Si Nanocable Arrays as High-Rate Anode Materials for Lithium-Ion Batteries. Adv. Mater., 2011, 23, 4415-4420

6.        X.-L. Wu, L.-Y. Jiang, F.-F. Cao, Y.-G. Guo, L.-J. Wan. LiFePO₄ Nanoparticles Embedded in a Nanoporous Carbon Matrix: Superior Cathode Material for Electrochemical Energy-Storage Devices. Adv. Mater., 2009, 21, 2710-2714

7.        Y.-G. Guo, J.-S. Hu, L.-J. Wan. Nanostructured Materials for Electrochemical Energy Conversion and Storage Devices. Adv. Mater., 2008, 20, 2878-2887

8.        W.-M. Zhang, J.-S. Hu, Y.-G. Guo, S.-F. Zheng, L.-S. Zhong, W.-G. Song, L.-J. Wan. Tin-nanoparticles encapsulated elastic hollow carbon spheres for high-performance anode material in lithium-ion batteries. Adv. Mater., 2008, 20, 1160-1165

9.        W. Guo, Y.-X. Yin, S. Xin, Y.-G. Guo, L.-J. Wan. Superior radical polymer cathode material with a two-electron process redox reaction promoted by graphene. Energy Environ. Sci., 2012, 5, 5221-5225

10.    F.-F. Cao, Y.-G. Guo, L.-J. Wan. Better lithium-ion batteries with nanocable-like electrode materials. Energy Environ. Sci., 2011, 4, 1634-1642

授权专利：

11.    郭玉国，吴兴隆，万立骏，一种磷酸铁锂/碳纳米复合物及其制备方法与应用，专利号：ZL 200810116697.3

国际PCT申请：

12.    A SULFUR-CARBON COMPOSITE MATERIAL, ITS APPLIACTION IN LITHIUM-SULFUR BATTERY AND METHOD FOR PREPARING SAID COMPOSITE MATERIAL；国际申请号：PCT/CN2012/085898；国际申请日：2012年12月5日；发明人：Guo, Yuguo; Ye, Huan; Xin, Sen; Zhao, Nahong; Zhou, Longjie

13.    SULFUR-CONTAINING COMPOSITE FOR LITHIUM-SULFUR BATTERY, THE ELECTRODE MATERIAL AND LITHIUM-SULFUR BATTERY COMPRISING SAID COMPOSITE；国际申请号：PCT/CN2012/071215；国际申请日：2012年2月16日；发明人：Guo, Yuguo; Xin, Sen; Zhao, Nahong; Zhou, Longjie

14.    SULFUR-CARBON COMPOSITE FOR LITHIUM-SULFUR BATTERY, THE METHOD FOR PREPARING SAID COMPOSITE, AND THE ELECTRODE MATERIAL AND LITHIUM-SULFUR BATTERY COMPRISING SAID COMPOSITE；国际申请号：PCT/CN2011/083151；国际申请日：2011年11月29日；发明人：Guo, Yuguo; Xin, Sen; Zhao, Nahong; Zhou, Longjie

15.    SULFUR-CARBON COMPOSITE FOR LITHIUM-SULFUR BATTERY, THE METHOD FOR PREPARING SAID COMPOSITE, AND THE ELECTRODE MATERIAL AND LITHIUM-SULFUR BATTERY COMPRISING SAID COMPOSITE；国际申请号：PCT/CN2011/083104；国际申请日：2011年11月29日；发明人：Guo, Yuguo; Xin, Sen; Zhao, Nahong; Zhou, Longjie