新材料學院在《國家科學評論》發(fā)文闡述“結(jié)構(gòu)基元”作為研發(fā)鋰電池正極材料“基因”
? ? 新材料學院2019年11月27日訊，我院潘鋒教授、鄭家新副教授團隊在研究工作中取得關鍵進展。
? ? 能源和環(huán)境是人類賴以生存的物質(zhì)基礎，也是當今時代面臨的兩大問題。能源研究的核心是研發(fā)新型能源材料，提高能源利用效率和儲能容量。鋰離子電池作為清潔能源，被廣泛應用于人工智能、電動汽車、無人機等前沿科技領域。然而，當前鋰離子電池的能量密度、穩(wěn)定性能和倍率性能，還遠遠不能滿足科技快速發(fā)展的需要。手機電池爆炸、新能源汽車的安全隱患、無人機的續(xù)航時間短等問題困擾著新技術的進一步推廣應用。正極材料是鋰離子電池的核心部分，理想的正極材料應該具有能量密度高、充放電循環(huán)性能好、安全穩(wěn)定、成本低廉、環(huán)境友好等特點。隨著傳統(tǒng)科研的逐步深入，材料的自身屬性和設計機理成為這一領域研究的瓶頸。
圖1 鋰電池代表性正極材料中的結(jié)構(gòu)基元
（圖中小圈表示結(jié)構(gòu)基元，外圈是由這些結(jié)構(gòu)基元之間排列組合形成的鋰電池正極材料）
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? ? 晶體材料最基本的結(jié)構(gòu)基元是晶格原子及其配位環(huán)境， 它們按照一定的空間群結(jié)構(gòu)進行周期性排列形成晶體。 例如所有鋰離子電池的正極材料都是由鋰離子，過渡金屬離子，以及陰離子的結(jié)構(gòu)基元組成。一般而言，結(jié)構(gòu)基元中的成鍵相互作用以及電子結(jié)構(gòu)決定了晶體材料的內(nèi)在物理化學性質(zhì)，就像生命體中基因的作用一樣。最近，北京大學深圳研究生院新材料學院潘鋒教授、鄭家新副教授應邀在《國家科學評論》（National Science Review）上共同撰寫了總結(jié)與展望的觀點文章“‘Structure units’ as materials genes in cathode materials for lithium-ion batteries”(2019文章鏈接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwz178)，分析了鋰電池正極材料中的結(jié)構(gòu)基元是如何決定了它們內(nèi)在的物理化學性質(zhì)（導電性、離子遷移、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性和電荷轉(zhuǎn)移性質(zhì)），起到“材料基因”的作用。他們提出從材料“結(jié)構(gòu)基元”這一源頭，不僅將幫助我們更好更深地理解材料內(nèi)在的物理化學性質(zhì)，還會為我們未來理性設計性能更好的電池材料提供指導，就如生命科學中的基因工程一樣來調(diào)制材料中的基因（結(jié)構(gòu)基元）。
圖2 結(jié)構(gòu)基元與鋰電池物理化學性能的相關性
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? ? 該工作得到了國家材料基因工程重點研發(fā)計劃，廣東省重點實驗室和深圳市科技創(chuàng)新委員會等項目的大力支持。
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