——记武汉理工大学纳米重点实验室研究团队科研成果
能源是人类社会发展的动力之源。21世纪以来，科技飞速发展，促进了工业技术进步，但同时，随着人类对于化石能源的不断开采和利用，如今全球已经面临能源危机，寻找可持续发展的新能源是人类未来的必由之路。现在正处于第三次能源革命时期，基于可再生能源利用的大规模储能和新能源电池装置是未来发展的必然趋势，安全、环保、高能量密度、低成本的电池，成为当今最为迫切的重大需求。
近年来，在武汉理工大学副校长、武汉理工大学纳米重点实验室研究团队负责人麦立强教授的带领下，团队长期从事新能源动力电池及关键材料的研究开发与产业化应用攻关研究，在Nature、Science等刊物发表SCI论文600余篇，SCI总他引5.6万余次，撰写中文专著和英文专著各2部，参编《中国材料科学2035发展战略》1部，获授权国家发明专利160余项。主持国家重点研发计划和国家重大科研仪器专项等国家级项目30余项。以第一完成人获国家自然科学二等奖、何梁何利基金科学与技术创新奖、国际电化学能源科学与技术大会卓越研究奖(每年仅2人)、国际车用锂电池协会卓越研究奖、国家教学成果二等奖、教育部/湖北省自然科学一等奖(3项)和中国材料研究学会技术发明一等奖，连续五年入选科睿唯安全球高被引科学家。武汉理工大学纳米重点实验室研究团队构筑了国际上第一个单根纳米线器件电子/离子输运原位表征的普适新模型，建立了调控电化学反应动力学的“麦-晏”场效应储能等电子/离子双连续输运理论，突破了储能材料与器件的批量化制备技术，并在东风、华为等30余家企业实现了成果转化与应用，为我国储能材料与器件领域的高质量发展做出重大贡献。
创新电池结硕果 提升性能和安全
近年来，我国的新能源汽车发展速度惊人，连续9年位居全球第一，动力电池作为新能源汽车的“心脏”，是最为重要的一环，但是新能源汽车的电池安全隐患一直是悬而未解的问题。
电池的一大隐患是热失控现象，它通常发生在电池内部局部温度攀升至临界值之时。这一现象根源在于电池内部迅速产生的热量远超过其散热系统的处理能力，导致热量积聚。然而，提升电池内部热传导效率面临双重难题：一是金属集流体(CCs)本身的导热性能有限，二是大规模制造具有高热导性能的非金属集流体箔片存在技术挑战。
对此，该团队及其合作者提出了一种具备快速温度响应特性的非金属集流体(CC)，这一创新材料有望作为传统铝和铜箔的替代品，显著提升了电池系统的安全性。他们采用先进的连续热压工艺，成功制备出了一种在百米尺度上展现出高度取向性的石墨烯(Gr)箔，相关工作以“Large-scale current collectors for regulating heat transfer and enhancing battery safety”为题在国际新兴顶尖期刊Nature Chemical Engineering上发表。据悉，这种新型Gr箔的导热性能极为出色，比传统的Al和Cu箔高出一个数量级，展现了卓越的热量传导能力。尤为关键的是，采用该新型集流体的电池系统散热效率得到了显著提升，有效消除了局部热点的积聚，从而避免了因铝热反应和析氢反应等快速放热过程而引发的电池热失效风险。
据了解，团队采用一种创新的连续大规模生产方法成功制备了高质量的Gr箔。该制备工艺具有高度的可扩展性，能够依据生产设备的实际尺寸，灵活地在米级乃至千米级的大尺度上制备出均匀的氧化石墨烯复合膜。以此为基础，团队设计了以NCM811作为正极材料、石墨为负极的实际软包电池。实验证明该软包电池在测试中显著降低了可燃性气体如氢气、一氧化碳和乙烯的排放量，有力证明了该新型集流体在极端条件下能有效抑制电池内部热量的快速积聚与爆炸性气体的生成，从而大幅降低电池着火和爆炸的风险。经分析表明，与传统软包电池相比，在承受相同外部压力时，搭载该新型集流体的电池能够保持在更为安全的温度范围内运行。更重要的是，具有热稳定性和高导热性的Gr箔可以很容易地将热量从热点向外传递，并在遇到异常热触发时有效地规避放热反应，极大减少了产生的气体，从而使温度分布更低、更均匀。
此外，随着目前电子产品的普及，人们对于电池的快速充电提出了更高要求，电池的超快充电特性对于便携式电子设备和电动汽车等储能设备至关重要。然而，受限于传统离子穿梭模型，电化学储能器件的倍率性能难以实现新的突破。近年来，具有超快充特性的水系锌离子电池(AZIBs)吸引了广泛研究和关注，然而，其底层储能机制尚未得到充分解释。为此，该团队及其合作者提出了一种基于锌离子催化水裂解及其产物存储为主导的电池快充机制，通过氮化钒与硫酸锌的最优化组合，实现了超高的倍率性能。相关工作以“Zn2+-mediated catalysis for fast-charging aqueous Zn-ion batteries”为题在国际顶尖期刊Nature Catalysis上发表，这项工作为开发高功率、高安全的储能系统提供了新的理论基础和技术路径。
该团队还成功开发了一类初层溶剂化壳层不含有机溶剂分子的复合水系电解液，克服了传统复合水系电解液在低温下脱溶剂化动力学缓慢的问题。研究显示，在零下20摄氏度环境下，使用这一新型复合水系电解液，锌金属负极沉积/剥离具有97.7%的高初始库仑效率、长达5600小时的长循环寿命，以及高达50%的锌金属负极放电深度，且具有较小的过电位。相关工作以“Organic-solvent-free primary solvation shell for low-temperature aqueous zinc batteries”为题在国际学术期刊Chem上发表。麦立强教授表示，水系锌离子电池是一种以水作为电解液的电池，具有安全、快充、成本低廉和环境友好等优势，是一项具有应用前景的新型储能技术，该项研究为进一步推动锌离子电池的研发与应用创造了有利条件。
校企合作促应用 科技赋能筑未来
科技是第一生产力，科技成果只有面向国家战略需要、人民生活和市场需求，才能顺利完成从科学研究、实验开发到推广应用的高质量跨越，真正为发展新质生产力提供新动能。
近日，安徽国芯新材料股份有限公司与武汉理工大学纳米重点实验室研究团队通过产学研合作，基于团队发明的电子/离子双连续输运储能材料与器件多尺度调控技术，成功研发了全球首款可商用的钾离子电池产品，也是全球首款两轮电动车用钾离子电池组和钾离子储能系统“钾能壹号”。
武汉理工大学纳米重点实验室成员王选朋副教授作为安徽国芯新材料股份有限公司总经理，主要负责该项成果的研发，他介绍说，“经湖北省蓄电池产品质量监督检验中心认证，这款两轮电动车用钾离子电池电芯能量密度为151瓦时每公斤;在充满电的情况下，可续航130公里到150公里。”他表示，这一续航里程较目前普遍使用的铅酸电池提高3倍左右，而两者生产成本基本相当，未来有望逐步取代两轮电动车用铅酸电池。
据了解，钾离子电池与铅酸蓄电池相比，具有能量密度高、能量效率高和循环寿命长等优势。此外，由于钾离子电池使用的化学成分大多数是无毒、可重复利用的，因此退役后再生循环对环境的污染也更低。“目前，我们研制的小型钾离子储能系统，已在华能嘉峪关光伏实证基地等多个项目中开展示范应用，钾离子电池组也在雅迪和绿佳两款电动自行车上开展了路试评测，当前用户反馈数据均较良好。”安徽国芯新材料股份有限公司董事长秦光表示，预计今年年底即可实现钾离子电池关键电极材料、电芯与储能系统的量产。目前，由安徽国芯主导千吨级新型钾离子电池正极材料及电芯产业化项目已经在淮安落地开工建设，向着科技成果产业化的目标又前进了一步。
安徽国芯新材料股份有限公司是武汉理工大学纳米重点实验室研究团队联合创办的武汉理工大学最早采用技术“技术+资金”双投入模式进行科技成果转化的项目之一，也是近年来武汉理工大学深入实施创新驱动发展战略和知识产权强国战略，深入推进国家知识产权示范高校建设任务，以有组织科技创新汇聚大团队、攻关大项目并实现产品转化运用的典型范例之一。
科技强国，逐梦未来。当今时代，正处第三次能源革命阶段，新能源产业日益成为“主战场”和必须抢占的“新高地”。武汉理工大学纳米重点实验室研究团队成员王选朋副教授表示，团队将在新能源动力电池领域扎根深研，积极服务于国家战略需求，推动科技成果高质量高效益转化应用，加快实现高水平科技自立自强，为中华民族伟大复兴做出新的贡献。(供稿人：苗燕)
