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專訪廈門大學喬羽教授:專注二次電池原位表征!
納米人 2021-10-03

喬羽,廈門大學化學化工學院教授。國家海外高層次人才引進計劃(青年項目,2019批次)獲得者。廈門大學“南強青年拔尖人才支持計劃”(A類,2021年度);廈門市高層次人才引進計劃(雙百計劃)。

 

2013年本科畢業于中國科學技術大學,先后在日本北海道大學(2016年,國家留學基金委CSC高水平公派獎學金)和日本國立筑波大學(2019年,日本文部省獎學金)獲得碩士、博士學位。博士畢業后在日本國立產業技術綜合研究院(AIST)繼續從事二次電池相關的機理研究和新材料體系研發。于2021年4月加入廈門大學化學化工學院和福建省能源材料科學與技術創新實驗室(嘉庚實驗室)。

 

主要研究方向:二次電池相關新型儲能體系開發(正極材料中陰離子氧化還原機理,電極電解液表界面電化學過程,電解液體系溶劑化構型改性研究,二次電池產氣精細分析,等);二次電池相關電化學原位譜學表征(原位氣相質譜、原位紅外、Raman,等)。

 

以第一作者和通訊作者身份在Nature Energy, Nature Catalysis, Joule (5篇),Angew. Chem. (5篇), Energy Environ. Sci. (4篇), Adv. Mater. (6篇), Adv. Energy Mater. (4篇) 等科研期刊發表學術論文40余篇,并主持國家自然科學基金面上項目。

 

有鑒于此,納米人路漫研究院對喬羽教授進行專訪,內容如下:

 

1. 納米人:喬老師,請您先簡單介紹一下課題組主要研究方向。

喬羽教授:我在廈門大學剛剛(2021年4月)建立了二次電池技術與表征課題組,研究方向主要側重二次電池相關的原位電化學光/質譜表征,也就是集中在結構和表界面的機理研發和相關新材料體系的開發。

 

2. 納米人:國內外很多課題組都在二次電池領域做出了重要貢獻,請問您的研究在二次電池研究領域的特色是什么?

喬羽教授:我的研究都是站在巨人的肩膀上,由他人的體系給與靈感,再去想想深入的為什么。如果說有那么一點點微小的特色,也就主要集中在針對不同的二次電池體系去建立針對性的多表征聯用平臺,通過全局的分析,進而鎖定關鍵科學問題和體系難點重點,為材料體系優化提供有效指導建議。

 

3. 納米人:您在二次電池領域取得了系列化的重要成果,請問哪些成果最具有代表性?

喬羽教授:我覺得最具有代表性的成果有兩點:(1)對于不同二次電池體系中氧元素有關陰離子氧化還原活性的表征和研究,無論是鋰氧氣電池中的未知放電中間產物(水分影響下的LiOOH,等)原位光譜學表征,層狀過渡金屬氧化物正極材料中氧活性激發后的可逆、不可逆行為,還是后來基于氧化鋰的相關氧化還原過程的研究,都是值得反復思考的。(2)通過現場光譜來觀測和證實有機、水系電解液在有序孔徑材料中的溶劑化構型的變化,這直接促成了和多位組員的合作,最終將有序孔徑材料涂層引入二次電池體系,來構建電極表面的溶劑化殼層重整緩沖層,這也是光譜指導材料創新的一個成功的案例。

 

4. 納米人:在今后的研究中,您將重點探索二次電池哪些方面的研究,其重要性何在?

喬羽教授:我想重點探索的方向集中在對于二次電池產氣和表界面去溶劑化過程的原位表征研究上。產氣這個角度來看,我想試著通過搭建一些更多功能和附件的氣相質譜色譜聯用表征框架,來探究更多未知的氣體產物和碎片,對他們進行定性定量的分析和解析。這些產物可能是來源于材料本身的晶格氧,也有可能來源于電解液的氧化/還原分解所釋放的氣體。去溶劑化過程研究的角度,實際上就是想試著還原電極/電解液的表界面過程。我們看到“溶劑化結構優化”這個單詞越來越多的出現在文章中、腦海中、計算結果中,我們想能不能讓他出現在譜線中,讓肉眼看到他。上述兩個方面更多的集中在儀器開發、表征方法學適配以及分析化學的領域。

 

5. 納米人:您認為,二次電池相關電化學原位譜學表征研究,最難的地方在哪里?

喬羽教授:我個人膚淺的認為,最難的地方有兩點:(1)如何將晦澀難懂的譜學信息,結合所研究的體系,準確并誠實的“翻譯”成體系需要的語言和理論。(2)方法學和操作角度上講,最難的也許就是確保電化學原位光譜在采集過程中還原真實電化學行為,并成功采集到原位譜線。



喬羽教授5篇代表作


1. 借助多表征聯用體系的標定和引導,在通用NCM正極側引入氧化鋰犧牲劑,通過氟代共溶劑的協同,構筑無負極電池體系。

A High-Energy-Density and Long-LifeInitial-Anode-Free Lithium Battery Enabled by a Li2O Sacrificial Agent.

Qiao, Y.; Yang, H.; Chang, Z.; Deng, H.; Li, X.; Zhou, H.* Nature Energy 20216, 653-662.

https://www.nature.com/articles/s41560-021-00839-0#Sec18

 

2. 借助多表征聯用體系的標定和引導,實現氧化鋰和過氧化鋰在“安全紅線”內的可逆轉化,構筑純陰離子氧化還原驅動的封閉鋰氧電池。

A High-Energy-Density and Long-LifeLithium-Ion Battery Via Reversible Oxide–Peroxide Conversion.

Qiao, Y.?;Jiang, K.?; Deng, H.; Zhou, H.* Nature Catalysis 20192, 1035-1044.

https://www.nature.com/articles/s41929-019-0362-z

 

3. 首次通過原位分子光譜,探測并系統證實了水分對于鋰氧電池ORR/OER反應路徑的影響(LiOOH中間產物的標定和探測)。

From O2? to HO2?:Reducing by-Products and Overpotential in Li-OBatteries by WaterAddition.

Qiao, Y.?;Wu, S.?; Yi, J.; Sun, Y.; Guo, S.; Yang, S.; He, P.; Zhou, H.* Angew. Chem. Int. Ed. 201756, 4960-4964.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.201611122

 

4. 離子交換的合成方法,將鈉離子電池層狀正極材料作為前驅體,成功合成鋰電富鋰正極材料,并證實了其中陰離子氧化還原過程的可逆性。

Stabilizing Anionic Redox Chemistry ina Mn-Based Layered Oxide Cathode Constructed by Li-Deficient Pristine State.

Cao, X.?; Li, H.?; Qiao, Y.*; Jia, M.; Li, X.; Cabana, J.; Zhou, H.* Adv. Mater. 202133, 2004280.

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202004280

 

5. 利用MOF的有序孔徑,將其作為電極表面涂層,用于改善電解液中鋰離子在進入電極過程中的去溶劑化過程,并使用現場光譜證實了有序孔徑涂層中的電解液超越飽和濃度的高聚合態存在形式。

Beyond Concentrated Electrolyte:Further Depleting Solvent Molecules within Li+ Solvation Sheath toStabilize High-Energy-Density Lithium Metal Batteries. Chang, Z.; Qiao, Y.*; Yang, H.; Deng, H.;Zhu, X.; He, P.; Zhou, H.* Energy Environ. Sci. 202013, 4122-4131.

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/ee/d0ee02769c#!divAbstract


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