1、实验室概况

化学电源湖南省重点实验室，于2017年7月经省科技厅批准建设，依托中南大学化学化工学院进行组建，整合了中南大学在化学电源、矿物、冶金、材料、化工和环境领域的学科交叉优势，构筑“矿物原料加工—电池关键材料—电池器件—废旧电池回收利用”的完整产业链研发平台，建设在国内领先并具有一定国际影响力的综合型研究平台，为提升我国化学电源产业链的核心竞争力和可持续发展提供人才和技术支撑。

重点实验室共有固定研究人员33人，其中教授23人，副教授10人。其中国家优青1人，青年长江2人，新世纪优秀人才2人，湖南省杰青5人。团队以中青年教授为主体，年龄、学历和职称结构合理，全部拥有博士学位。专业结构合理，涵盖应用化学、化学工程、无机化学、冶金物理化学和材料化学等专业，有利于学科交叉融合。

2、研究方向

(1)化学电源材料理论与设计

1)基于第一性原理，使用VASP程序包和Materials Studio等材料科学计算软件进行从头算法计算，对电极材料的理化性质等进行系统计算，建立界面结构的理论模型与锂离子传输过程中的电极界面演变机制，筛选和设计高性能的新型化学电源材料。

2)建立电极材料的晶体结构模型，计算影响电化学性能的系列性质参数，预测材料的电子、离子传输性质以及结构稳定性，结合理论计算与原位表征，阐明充放电过程中材料的电荷传输动力学及晶体演变特征，为改善化学电源材料的性能提供理论支撑。

(2)动力型化学电源及关键材料

针对续航里程与功率密度指标等要求，本方向重点开发高能高功率的电极材料，研究极片设计及电池成组技术及在实际运行中的工程化问题，同时积极开发下一代高能电池体系。

1)锂离子动力电池及关键材料

基于主流三元正极材料，通过纳米化制备技术、二次颗粒造粒技术、表面修饰技术、表面酸度控制技术等手段进一步提高材料性能；逐步改善材料在高截止电位下的循环寿命，提高能量密度；开发高镍三元材料(622和811)，研究高镍材料的容量衰减机制，提出解决策略；联合开发镍钴铝三元材料，力争实现其规模化生产。负极方面，开发高容量Si/C复合材料，提升其循环寿命；基于多步高能球磨或高速剪切剥离等物理方法，以石墨为原料开发规模制备石墨烯的新型技术，并应用于动力电池正负极材料的设计。

2)金属空气燃料电池

金属空气燃料电池涉及铝空、锌空和镁空电池，本实验室以铝空燃料电池为主。研究内容包括：a)高性能铝合金电极的制备技术：通过掺杂其它元素和合金化改变电极表面钝化层性质，实现“活化”和“缓蚀”的目的；b)高效低成本氧还原催化剂及先进的空气电极制备技术：开发过渡金属和氮共掺杂的高效碳基催化剂替代铂碳催化剂，研究协同催化机制；基于人体血红蛋白对氧气的高效催化与分离，设计Fe-Cu双金属-氮共掺杂碳催化剂；c)电解液缓蚀技术研究：抑制铝阳极腐蚀，提高电池效率；d)电池成组技术：包括电解液循环、空气流通保障和电池组热管理等，解决系统的工程化瓶颈问题；e)电池再生循环技术：金属阳极放电后机械更换新阳极，放电产物和电解液集中再生处理研究。

3)锂硫锂氧等下一代动力电池

重点开展高性能锂硫和锂氧电池器件结构及其关键材料(电极、隔膜、电解液)的设计、开发与匹配研究。基于物理吸附与化学作用吸附抑制多硫离子穿梭效应，设计合成多功能硫正极或隔膜材料，发展低成本、宏量制备技术，并考察材料与电解液之间互相匹配关系，构建高硫负载量、高比能量的锂硫电池器件。开发锂氧电池高效氧电极催化剂，研究电池充放电机制及容量失效机制，设计稳定的电解液体系；开发匹配性的固态电解质，构筑高性能的固态锂金属电池。

(3)规模储能型化学电源及关键材料

1)全钒液流电池关键材料及电堆集成

重点研究高性能全钒液流电池关键材料-电解液、隔膜、电极的制备技术以及高功率密度全钒液流电池电堆的集成技术。深入研究影响全钒液流电池电解液、电极、隔膜性能的因素，从机理出发设计提高电解液、电极、隔膜系能的技术路线，达到对全钒液流电池用高性能电解液、电极、隔膜的可控、规模化制备。同时，通过电堆结构优化设计及系统一体化集成过程耦合规律的研究实现高功率密度全钒液流电池电堆的研制。

2)水系锂离子电池关键材料及器件成组

重点研究高能量密度、高安全性、长循环寿命的单体水系锂离子电池，并最终实现电池器件的模块成组。研究体系容量衰减机制，提高库伦效率；开发先进的表面修饰技术提高现有锰酸锂或三元材料的性能；通过掺杂和碳基改性获得高倍率磷酸钛锂/钠负极材料，开发新型高容量高稳定性的其它负极体系；探索提升水系电池循环寿命与能量密度的途径；优化全电池设计及电解液匹配；研究电池组成组技术。

3)钠离子储能电池及器件

设计开发具有优良储钠能力的正负极材料，正极以普鲁士蓝系列为主，通过创新制备方法、元素掺杂与碳基材料包覆改性提高储钠容量和循环性能，负极以二氧化钛与硬碳材料为主，通过形貌调控及缺陷控制策略提高材料性能，深入研究相关材料的储钠机制；研究电解液体系与粘结剂对性能的影响规律；设计全电池，研究器件成组技术。

(4)电池循环经济技术研究

该方向的目标是解决电池资源的高效利用和废旧电池的资源化过程所存在的系列基础与应用问题。a)建立可靠的电池一致性评价方法，提高动力电池组的利用率；b)研究大型动力电池组梯次利用涉及的关键技术问题，开发以矿物资源和废旧电池为原料制备电极材料的“资源与材料一体化”新技术，实现废旧电池中有色金属资源“从电池中来到电池中去”的绿色循环利用技术。

3、学术带头人

唐有根，二级教授，博士生导师，中南大学化学电源与材料研究所所长，中国储能与动力电源及其材料专业委员会常务副主任兼秘书长。

唐有根教授

一直从事新能源材料和器件方面的基础与应用研究。先后承担国家自然科学基金、国家重点科技攻关项目、国家“863”高技术计划项目、解放军武器装备高新工程攻关项目等10余项。获得教育部提名国家科技进步二等奖1项，湖南省科技进步二等奖2项、三等奖3项，湖南省教学成果二等奖1项，中国有色金属工业科技进步二等奖1项、三等奖2项，获国家发明专利10项。在国内外学术期刊和会议上发表论文300多篇，出版专著和教材5部。

纪效波，教授，博士生导师，国家“优青”。在新能源材料与材料计算方面有深厚的基础。

纪效波教授 图源：中南大学

主持并完成国家自科等项目4项，英国皇家学会国际合作项目1项。在AM和EES等国际期刊上发表论文120余篇；获国际发明专利3项，中国发明专利12项。现担任国际期刊Journal of Carbon Research副主编；中国有色金属学会冶金物理化学学术委员会秘书长。曾获荣誉和奖励：湖南省青年科技奖(2016)、中南大学学术委员会委员、理学部副主任(2015)、英国皇家化学会会士(2014)、首批湖湘“青年科技创新创业平台培养对象”(2013)、湖南省“杰出青年基金”(2012)、湖南省“百人计划”(2012)、教育部“新世纪优秀人才计划”(2011)等。

刘素琴，教授，博士生导师。湖南省“钒储能电池材料工程技术中心”副主任，液流电池标委会成员。

刘素琴教授 图源：INES

主要从事储能材料与器件研究。已主持完成国家重大基础研究973课题1项；国家自科面上项目3项；湖南省杰青项目1项；其它省部级项目6项。现主持国家自科面上项目1项；国家自科联合基金1项；湖南省科技重大专项课题1项；横向项目1项。获教育部技术发明二等奖1项；湖南省自然科学二等奖1项；中国有色金属总公司科技进步二等奖、三等奖各1项；湖南省教育厅科技进步一等奖1项。发表SCI收录论文216篇，授权国家发明专利21件，参编出版专著2部。

唐新村，教授，博士生导师，新疆大学“天山学者客座教授”，主要从事电化学、材料化学及环境化学等方面的教学与研究工作。

唐新村教授

主持承担国家自然科学基金项目6项，省科技攻关项目3项，广东省部产学研项目1项，“863”项目子课题1项，校企一般合作项目8项，主持企业重大项目1项。研究成果先后获得省部级科技进步一等奖1项、二等奖1项和三等奖1项；获国家授权发明专利10项，发表科研论文90余篇，其中SCI、EI收录50余篇。合编专著2部。在化学电源材料制备、电极反应动力学及废旧电的回收与综合处理等方面具有扎实的理论基础和丰富的研究经验。

4、科研进展

（1）用于铝空气电池的具有高离子电导率的准固态电解液

近期，中南大学唐有根/王海燕/李熠鑫团队以天然的低成本且无毒的高岭黏土为原料，通过与氢氧化钾溶液按照一定比例混合制备出用于铝空气电池的具有高离子电导率的准固态电解液，从而实现高性能准固态铝空气电池的构建。

铝在液态电解液以及准固态电解液中的剥离行为

实验结合理论分析发现高岭土表面丰富的亲水基团与电解液中水分子形成了新的氢键，打破了水分子间原有的氢键网络，降低了水分子活性。高岭土表面吸附大量阳离子，在电场力的驱动下形成了快速离子通道，使准固态电解液具有接近液态电解液的高离子电导率。另一方面高岭土的层间结构和均匀的孔道分布促进了金属铝的均匀剥离，稳定了铝空气电池的放电电压。最终组装的准固态铝空气电池具有超高的能量密度(目前报道的最高水平)以及平稳的放电电压，为铝空气的商业化应用提供了借鉴。

（2）构建了一种结合透辉石型SrZrO₃涂层和Sr/Zr共掺杂的(NCM)多功能改性材料

中南大学纪效波、阿贡国家实验室Khalil Amine、Tongchao Liu团队利用 Sr²⁺ 和 Zr⁴⁺ 的不同溶解特性及其相互作用，成功地构建了一种结合了透辉石型SrZrO₃涂层和Sr/Zr共掺杂的LiNi_0.85Co_0.10Mn_0.05O₂(NCM)多功能改性材料，大大提高了其结构/界面稳定性和电化学动力学性能。薄的透辉石SrZrO3提供了稳定的阴极-电解质互相，抑制了有害的寄生副反应。同时，具有协同效应的Sr/Zr共掺杂被充分纳入晶格中，从而避免了结构不稳定的问题。

a,b)NCM和c,d)SrZr-NCM电极在测试前和200次循环后的截面SEM图像。e,e1-e3)NCM和f,f1-f3)SrZr-NCM200次循环后的STEM图像和相应的FFT转换。

5、科研项目

在建设期内，化学电源湖南省重点实验室承担包括国家重点研发计划、国家自然科学基金、湖南省重大专项等省部级以上项目34项，总经费达3600多万元。在Nature Communications、Joule、Angew Chem Int Ed、Adv.Mater、Energy.Environ.Sci.、Adv.Funct.Mater、Adv.Energy.Mater.、Nano Energy、Energy Storage Materials等国内外权威期刊发表SCI论文400余篇。申请发明专利200余项，实现专利转让2项。相关成果荣获重庆市科技进步一等奖等奖项近10项。

来源：化学电源湖南省重点实验室等

(中国粉体网编辑整理/昧光)

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