武汉科技大学霍开富团队在先进能源材料和储能技术方面取得系列重要研究进展

导读

近期，武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室、先进材料与纳米技术研究院霍开富教授团队在先进能源材料和储能技术方面取得系列重要研究进展。

包括：

1. Advanced Energy Materials, 2024, 14, 2303876. (IF: 27.8)

2. Energy Storage Materials, 2024, 103416. (IF: 20.4)

3. Advanced Functional Materials, 2023, 2306115. (IF: 19.0)

4. Advanced Functional Materials, 2023, 13, 2311040. (IF: 19.0)

5. ACS Nano, 2023, 17, 23, 24227-24241. (IF: 17.1)

针对合金型负极材料在循环过程中大体积变化导致的巨大应力问题，该研究团队在前期三维蚁巢状多孔硅研究基础上（Nature Communications, 2019, 10, 1447）,设计和制备出三维微纳分级结构多孔锗（p-Ge）。该材料是微纳分级结构，具有大的容量、短的锂离子扩散路径和缓解体积膨胀的优点。通过原位/半原位实验表征手段和理论计算，揭示了微纳分级多孔锗的存锂机制和应力分散行为。

这项工作为设计高性能、低体积膨胀的合金负极提供了新的见解。该研究成果发表在能源领域国际顶级期刊Advanced Energy Materials（IF：27.8）上。博士生郭思广为论文第一作者，霍开富教授和高标教授为通讯作者。

图1. 微纳分级多孔Ge电化学储锂优势和服役机制图

针对多孔硅表面离子传导率低以及界面不稳定等的问题，该研究团队在多孔硅表面设计MgSiN2功能层，充放电过程中在多孔硅表面原位构筑高离子电导率Li3N和Li-Mg合金复合界面，增强多孔硅界面离子传导率和结构稳定性，提升其电化学储锂性能。通过原位/半原位实验表征手段，揭示了MgSiN2功能层电化学转化机制。

这项工作为硅基负极材料的界面设计提供了新途径。相关研究成果发表在能源和材料科学领域国际顶级期刊Energy Storage Materials（IF: 20.4）上。博士生项奔和青年教师刘宇博士为论文第一作者，霍开富教授和高标教授为通讯作者。

图2. pMSi@MgSiN2合成与服役机制图及储锂性能

针对锂硫电池中多硫化物穿梭和反应动力学缓慢等问题，该研究团队设计了一种新型三维分级的莫特-肖特基电催化剂，利用碳的多重空间限域效应抑制LiPS穿梭，莫特-肖特基电催化剂及自发的电荷重构促进反应动力学。

该成果发表在国际顶级期刊Advanced Functional Materials（IF: 19.0）上。博士生罗荣杰为论文第一作者，霍开富教授和郑洋教授为通讯作者。

图3. 莫特-肖特基电催化剂增强硫电化学转化机制图

MoN和MoC是具有代表性的金属氮化物和碳化物，然而，二维平面内MoC/MoN异质结的可控制备和赝电容存储性能目前尚未见报道。该研究团队发展了熔盐辅助合成方法，可控制备出二维MoC/MoN纳米片，并通过原位红外、拉曼光谱、石英微晶天平研究了MoC/MoN电容性能，揭示MoC/MoN的赝电容来自氢离子与Mo-N的嵌入和脱出，为开发高性能过渡金属氮化物电极材料提供理论指导。

该研究成果发表在国际顶级期刊Advanced Functional Materials（IF: 19.0）。硕士生王成为第一作者，霍开富教授为通讯作者。

图4. 二维MoC/MoN面内异质结与界面作用示意图及相应体积容量

针对商用碳酸酯基电解液与高活性锂负极和高压正极兼容性差，导致电池失效，甚至引发安全事故的问题，该研究团队提出了DME和LiNO3双添加剂调控溶剂化结构的策略，在正负极表面形成稳定的电极-电解质界面，有效抑制电化学过程中电极与电解液之间的副反应。

该研究成果发表在国际顶级期刊ACS Nano（IF: 17.1）上。博士生郭齐飞为第一作者，霍开富教授和郑洋教授为通讯作者。

图5. 安全、高压电解液双向调控正负极界面示意图

上述系列成果，武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室均为论文第一单位。相关论文链接如下：

1. https://doi.org/10.1002/aenm.202303876

2. https://doi.org/10.1016/j.ensm.2024.103416

3. https://doi.org/10.1002/adfm.202306115

4. https://doi.org/10.1002/adfm.202311040

5. https://doi.org/10.1021/acsnano.3c09643

来源：武汉科技大学