1、12019 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、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/电子快速输运困难、材料存储机理和离子输运规律，开展了系统的基础性研究。
2、发现了具有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，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；发现了离子/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，同时实现了离子/电子快速输运，提高了材料的倍率性能；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，揭示了离子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，3篇入选ESI前1%高被引论文论文，SCI 他引1528次，单篇最高 SCI他引506 次，锂电先驱、国内外院
3、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 。23. 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 具 有 三 维
4、 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 ， 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 。 首 次开 发 出 高 电 压 、 长 循 环 、 结 构 稳 定 的 新 型 钠 离 子 电 池 正 极 材 料 Na3V2(PO4)3-C。2. 发现了离子/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，同时实现了离子/电子快速输运，提高了材料的倍率性能，首次开发了乙炔黑/LiNb 3O8纳米复合材料、多孔氮掺杂碳包覆纳米 L
5、i4Ti5O12微球以及低温石墨烯包覆纳米 Li4Ti5O12微球。3.在原子尺度直接观察了 LiCoO2、TiNb 2O7、Na 3V2(PO4)3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 ， 本 项 目 设 计 了 一 套 实 现 快 速 离 子 /电 子 传 输 、保 持 材 料 循 环 稳 定 性 的 方 案 ： 提 高 材 料 离 子 快 速 传 导 、 缩 短 离 子 传 输 路 径 、 构 筑 电子 传 输 通 道 ， 同 时 阻 止 活 性 材 料 与 电 解 液 直 接 接 触 ， 实 现 材
6、料 的 高 功 率 密 度 、 循 环稳 定 性 和 安 全 性 等 ， 并 在 原 子 尺 度 揭 示 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 411”。作为石墨烯包覆 Li4Ti5O12 材料的代表，说明我们工作的原创性，参考文献 410 为代表论文 5。代表论文 6： 韩国世宗大学 Yang-Kook Sun 教授在代表引文 6 (Chemical Society Reviews, 2017, 46, 3529-3614)中大段评述本研究的成果：“Jian et al. further analyzed the crystal
7、structure during the electrochemical reaction.215 As mentioned in Fig. 18a, Na atoms are localized to two different sites (6b, M1 and 18e, M2) in Na3V2(PO4)3. The flat curve during desodiation of Na3V2(PO4)3 indicates a biphasic reaction based on the V3+/4+ redox reaction as a result of Na+ extracti
8、on at the M2 site, which is related to the formation of NaV2(PO4)3, in which only one Na (6b, M1) resides in the crystal structure. NMR further revealed that, in Na3V2(PO4)3, the Na atoms were not randomly distributed at M2 sites, but appeared in an ordered arrangement locally; an Na+ ion at the M2
9、sites in Na3V2(PO4)3 is mobile, whereas an Na+ ion at the M1 site is immobile, corresponding to 2 mol Na+ per formula unit in Na3V2(PO4)3, while 1 mol Na+ per formula unit in Na3V2(PO4)3 can retain the framework during the electrochemical reaction.”充分肯定了代表论文 6 中阐明的 Na+离子在4Na3V2(PO4)3 结构中的传输机制以及存储机理，
10、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 Jaephil Cho 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：“Previous studies reported that LiCoO2 can deteriorate through a phase transition from an O3 layered phase to an O1 monoclinic one starting at x = 0.5.2731 This phase transition originat
11、es from the oxygen layer slip because of the increased Coulombic repulsion between adjacent oxygen layers, followed by lithium vacancies created during charge.2,30,31 That is why LiCoO2 shows a dramatic decrease of the c-axis lattice parameter after x = 0.6, although this lattice parameter increases
12、 slightly during the initial charge (Figure S3, Supporting information). Furthermore, a recent study using high-resolution scanning transmission electron microscopy (HR-STEM) supports that LiCoO2 undergoes a phase transition to O1 and O2 phases accompanied by the change of planar distance of plane (
13、003), due to the oxygen-oxygen repulsion and the oxygen layer slip during the charge process.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) peaks of LiCoO2 and LiCo0.9Ni0.1O2 are positioned at 19.02 and 19.04, respectively, and these values match well with previous reports o
14、f O3-stacking-type layered structures.30,31”，以及“The former indicates the diffraction pattern of O1-type CoO2 along 100Trigonal direction (Figure S9, Supporting Information). The d value of 4.30 is very similar to the previously reported value of 4.29 ,31,32 and the value of 4.28 calculated in this s
15、tudy from in situ XRD of LiCoO2 at 4.8 V.”。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：前国际固态离子学会会长、德国马克斯-普朗克研究所斯图加特固态研究中心主任 J. Maier 教授发表的代表引文 8 (Adv. Energy Mater. 2013, 3, 4953)中指出：“ According to ref12, lithium can be reversibly inserted into the (110) plane of the TiNb2O7 primitive cell and occup
16、ying the interstitial site there.11,12”；“However, the development of rechargeable lithium ion batteries with TiNb2O7 as an anode has been limited due to its low electronic conductivity and ionic conductivity,12”；“The other pair of broad redox peaks at 1.76 and 1.80 V can be assigned to Ti4+/ Ti3+, a
17、ccording to Lus work.12 The broad bump in the range of 1.01.4 V may correspond to the Nb4+/Nb3+ redox couples.12, 22 , 23”。TiNb 2O7 材料的离子/电子电导率低，通过 TiNb2O7 纳米化，可以实现离子快速传导。并根据本论文得到储锂机理，实现了 Ti4+/ Ti3+和部分 Nb4+/Nb3+氧化还原，解释其研究现象。参考文献 12 为代表论文 8。本项目发表的 8 篇代表论文被 Chem. Rev., Chem. Soc. Rev., Nature Commun.,
18、 Adv. Mater.等著名学术期刊的综述和研究论文 SCI 他引为 1528 次，单篇最高 SCI 他引 506 次，平均每篇 SCI他引次数超过 190 次。并获得国际锂电先驱 J. B. Goodenough 等，前国际固态离子学会会长 J. Maier，美国斯坦福知名教授 Yi Cui 教授，多名中国科学院及中国工程院院士等国内外知名学者引用和评价。55. 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1Carbon coated Na3V2(PO4)3 as nov
19、el electrodematerial for sodium ion batteries. /Electrochemistry Communications/ Zelang Jian, Liang Zhao, Huilin Pan, Yong-Sheng Hu, Hong Li, Wen Chen, Liquan Chen2012, 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2Superior Electrochemical Performance and Storage Mechanism of Na3V2(
20、PO4)3 Cathode for Room-Temperature Sodium-Ion Batteries/Advanced Energy Materials/Zelang Jian, Wenze Han, Xia Lu , Huaixin Yang, Yong-Sheng Hu, Jing Zhou, Zhibin Zhou, Jianqi Li, Wen Chen, Dongfeng Chen, and Liquan Chen2013, 3, 156160 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
21、风，陈立泉363 364 否3LiNb3O8 as a novel anode material for lithium-ion batteries/Electrochemistry Communications/ Zelang Jian, Xia Lu, Zheng Fang, Yong-Sheng Hu, Jing Zhou, Wen Chen, Liquan Chen2011, 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4Porous Li4Ti5O12 Coated with N-Doped Carbo
22、n from Ionic Liquids for Li-Ion Batteries/Advanced Materials/Liang Zhao, Yong-Sheng Hu, Hong Li, Zhaoxiang Wang, and Liquan Chen2011, 23, 13851388 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65The low-temperature (400 oC) coating of few-layer graphene on porousLi4Ti5O12 via C28H16Br2 pyrolysis for
23、lithium-ion batteries /RSC Advances/ Zelang Jian, Liang Zhao, Rui Wang, Yong-Sheng Hu, Hong Li, Wen Chen and Liquan Chen 2012, 2, 17511754 2012-02-01胡勇胜，陈文简泽浪简泽浪，赵亮，汪锐，胡勇胜，李泓，陈文，陈立泉31 31 否6Atomic Structure and Kinetics of NASICON NaxV2(PO4)3 Cathode for Sodium-Ion Batteries/Advanced Functional Mater
24、ials/Zelang Jian, Chenchen Yuan, Wenze Han, Xia Lu, Lin Gu, Xuekui Xi, Yong-Sheng Hu , Hong Li, Wen Chen, Dongfeng Chen, Yuichi Ikuhara, and Liquan Chen2014, 24, 42654272 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7New Insight into the Atomic Structure of Electroche
25、micallyDelithiated O3-Li(1x)CoO2 (0 x 0.5) Nanoparticles/Nano Letters/Xia Lu, Yang Sun, Zelang Jian, Xiaoqing He, Lin Gu, Yong-Sheng Hu, Hong Li, Zhaoxiang Wang, Wen Chen, Xiaofeng Duan, Liquan Chen, Joachim Maier, Susumu Tsukimoto, and Yuichi Ikuhara2012, 12, 6192-6197 2012-12-01谷林，胡勇胜卢侠，孙洋，简泽浪，卢侠，
26、 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8Atomic-scale investigation on lithium storage mechanism in TiNb2O7/Energy & Environmental Science/ Xia Lu, Zelang Jian, Zheng Fang, Lin Gu, Yong-Sheng Hu, Wen Chen, Zhaoxiang Wangand Liquan Chen2011, 4, 26382644 2011-07-13谷林，胡勇胜卢侠卢侠，简泽浪，方铮，谷林，胡勇胜，陈文，王兆翔，
27、陈立泉93 93 否合 计 1528 154276. 主要完成人情况表姓 名 简泽浪 性别 男 排 名 1 国 籍 中国技术职称 教授 行政职务 无 最高学位 博士完成单位 武汉理工大学 工作单位 武汉理工大学对本项目主要学术贡献：发现点 1-3 的主要贡献者和完成人。采用 Na3V2(PO4)3快离子导体主体材料，通过碳包覆构筑电子传输层，实现复合材料的电子快速传输；对于离子/电子导电率差的 Li4Ti5O12等材料，采取纳米化缩短离子传输路径，碳复合构筑电子传输层，同时实现离子/电子快速传输；采用球差校正电子显微技术，直接观察材料结构在离子脱嵌过程中的变化和离子占位信息，揭示离子的存储机理
28、和传输机制。是 8 篇代表性论文中 1-3，5-7 第一作者（或共同第一作者） ，8 中第二作者。姓 名 胡勇胜 性别 男 排 名 2 国 籍 中国技术职称 研究员 行政职务清洁能源实验室主任最高学位 博士完成单位 中国科学院物理研究所 工作单位 中国科学院物理研究所对本项目主要学术贡献：发现点 1-3 的主要指导者。8 篇代表作的共同通讯作者，提出电子/离子混合导体的思路，指导完成了所有发现的具体构思和实验过程中遇到的难题，还在原子尺度观察材料结构变化和离子占位信息，揭示离子的存储机理和传输机制的研究中，参加了理论指导工作。姓 名 陈文 性别 男 排 名 3 国 籍 中国技术职称 教授 行政
29、职务 副校长 最高学位 博士完成单位 武汉理工大学 工作单位 武汉理工大学对本项目主要学术贡献：现点 1,2 的重要贡献者，提出对快离子导体材料进行改性，可以保持快离子导体的离子导电率，同时改善其电子电导，参加主要指导工作，同时提出新型铌基材料 LiNb3O8 可作为锂离子电池负极材料，是代表作 1-3、5 的共同通讯作者，也是代表作 6-8 的参与者。8姓 名 谷林 性别 男 排 名 4 国 籍 中国技术职称 研究员 行政职务先进材料与结构分析实验室最高学位 博士完成单位 中国科学院物理研究所 工作单位 中国科学院物理研究所对本项目主要学术贡献：发现点 3 重要贡献者，提出球差透射电镜用于观
30、察电极材料结构变化和锂/钠离子占位信息，指导球差透射电镜结果分析，为揭示离子在电极材料中的存储机理和传输机制做出重要贡献。代表作 6-8 的共同通讯作者。姓 名 卢侠 性别 男 排 名 5 国 籍 中国技术职称 教授 行政职务 无 最高学位 博士完成单位 中国科学院物理研究所 工作单位 中山大学对本项目主要学术贡献：发现点 3 重要贡献者，借助于球差透射电镜技术和第一性原理计算：在嵌锂样品中沿 TiNb2O7的010 带轴，直接观测到了嵌入 Li 离子在 TiNb2O7 晶格的分布，研究了锂离子在 TiNb2O7中的存储机理和传输机制；揭示了钴酸锂正极材料在原子尺度上的结构演变。 同时也参与发
31、现点 1，帮助 Na3V2(PO4)3 的结构解析。代表论文 2，7 共同第一作者，8 第一作者，3,6 的参与作者。97完成人合作关系说明完成人合作关系说明自 2009 年 1 月 1 日该项目确立以来，武汉理工大学简泽浪、陈文与中国科学院物理研究所胡勇胜、谷林、卢侠围绕项目合作展开了系统性的研究。其中第一完成人简泽浪是陈文教授的硕士/博士研究生，同时作为联合培养学生加入中科院物理所清洁能源实验室，胡勇胜研究员为清洁能源实验室主任，卢侠为清洁能源实验室学生，谷林研究员为中科院物理所先进材料与结构分析实验室，负责该项目的透射电镜技术指导和理论分析。所有完成人通过平时的合作密切，完成了本项目。多
32、篇代表性论文有完成人的交叉署名。10完成人合作关系情况汇总表序号 合作方式合作者/项目排名 合作时间 合作成果 证明材料 备注1 论文合著简泽浪（1）胡勇胜（2）陈文（3）2012-01-01 代表作 1 代表作 12 论文合著简泽浪（1）胡勇胜（2）陈文（3）卢侠（5）2013-02-01 代表作 2 代表作 23 论文合著简泽浪（1）胡勇胜（2）陈文（3）卢侠（5）2011-10-01 代表作 3 代表作 34 论文合著简泽浪（1）胡勇胜（2）陈文（3）2012-02-01 代表作 5 代表作 55 论文合著简泽浪（1）胡勇胜（2）陈文（3）谷林（4）卢侠（5）2014-07-16 代表作 6 代表作 66 论文合著简泽浪（1）胡勇胜（2）陈文（3）谷林（4）卢侠（5）2012-12-01 代表作 7 代表作 77 论文合著简泽浪（1）胡勇胜（2）陈文（3）谷林（4）卢侠（5）2011-07-13 代表作 8 代表作 8
