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吴忠帅研究员 EES：容量动力学双匹配助力高性能摇椅式锂离子电池-超级电容器混合器件
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吴忠帅研究员 EES：容量动力学双匹配助力高性能摇椅式锂离子电池-超级电容器混合器件

吴忠帅研究员 EES：容量动力学双匹配助力高性能摇椅式锂离子电池-超级电容器混合器件 科学材料站
2021-03-25
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导读：该工作构建了具有与锂离子电池类似工作机理的电池-超级电容器混合器件，并通过电极容量和动力学双匹配策略，同时实现了器件的高能量密度和高功率密度。

文章信息

容量动力学双匹配助力高性能摇椅式锂离子电池-超级电容器混合器件
第一作者：苏峰  秦洁琼
通讯作者：吴忠帅
单位：中国科学院大连化学物理研究所
文末附：吴忠帅研究员团队博士后招聘信息，欢迎有意向的科研工作者加入吴忠帅研究员课题组！

研究背景

以锂离子电池和超级电容器为代表的电化学储能器件在消费电子、电动车、智能电网等领域得到了广泛应用。然而，传统锂离子电池受限于迟缓的体相反应而具有较差的倍率和功率性能；超级电容器利用快速的表面过程存储电荷，但受限于较低的容量和能量密度。二者之间存在巨大的性能空白，难以满足同时对能量和功率密度有较高要求的应用场景。
为此，研究者们将电池电极和超级电容器电极集成在一个器件内，以期结合两种储能机理的优势，获得“双高”（高比能、高功率）的电池-超级电容器混合器件。过往的研究工作主要利用电池型负极和双电层电容型正极，这一器件构型充放电过程所需的离子由电解液提供，与摇椅式工作机理的锂离子电池相比，需要消耗大量的电解液。
另一方面，电池-超级电容器混合器件的性能又受到电池型电极和电容型电极之间极不匹配的电荷存储容量和电极动力学的严重限制，使其能量密度往往由低容量的电容型电极决定，功率密度往往由低倍率的电池型电极决定。

文章简介

基于此，中国科学院大连化学物理研究所吴忠帅研究员团队在国际知名期刊Energy & Environmental Science上发表题为“A high-performance rocking-chair lithium-ion battery-supercapacitor hybrid device boosted by doubly matched capacity and kinetics of the faradaic electrodes”的研究论文。
该工作构建了具有与锂离子电池类似工作机理的电池-超级电容器混合器件，并通过电极容量和动力学双匹配策略，同时实现了器件的高能量密度和高功率密度。

本文要点

要点一：摇椅式工作机理
传统电池-超级电容器混合器件基于电池型负极和电容性正极，从开路电压充电时阴阳离子从电解液移动到电极，放电时回到电解液。这一工作过程中所需离子由电解液提供，即电解液也应看作活性物质。
同时为避免充电过程中电解液离子的消耗造成电导率降低，电解液用量应大大过量。而在锂离子电池中，锂离子在正负极之间穿梭，电解液主要起离子传导作用，所需电解液大幅减少。
本工作以含锂三元氧化物NCA作为电池型正极，构建了锂离子在正负极之间来回穿梭的摇椅式锂离子电池-超级电容器混合器件。
图1. 摇椅式器件(a)和电解液消耗型器件(b)的工作机理示意图。

要点二：电极容量和动力学双匹配
本工作选取具有本征锂离子插层赝电容性质的T-Nb2O5为负极，高镍三元锂离子电池材料NCA为正极，二者具有相当的来自氧化还原反应的高容量。
另一方面，快速的体相锂离子扩散使T-Nb2O5具有优良的反应动力学，同时多孔纳米花结构可以促进电解液的浸润和传输。而对于高压电池型正极，纳米结构可能会带来非活性表面重构以及不稳定的电极/电解液界面等问题，因而本工作设计了一个由一维碳纳米管、二维电化学剥离石墨烯以及导电聚合物粘结剂构成的三维导电网络，其可以协同降低充放电过程中的内阻和极化，大幅提升电荷转移过程的速率。由此，正负极具有了高度匹配的容量和倍率性能。
图2. 正负极结构示意图以及容量和倍率性能对比。

要点三：具有优良动力学的双高混合器件
基于响应电流和伏安测试扫速之间幂函数关系得到的指数b值被广泛用来研究电极反应动力学。从全器件的循环伏安曲线计算b值，发现其峰位置的b值分别高达0.96和0.89，同时在1.8到2.8 V的区间内，b值皆大于0.8，表明全器件具有优良的反应动力学。
基于两电极活性物质质量，全器件具有165 Wh kg-1的能量密度和9.1 kW kg-1的功率密度（能量密度83 Wh kg-1），高于以往报道的具有摇椅式构型的锂离子电池-超级电容器混合器件。同时，这一性能也优于电极容量不匹配的T-Nb2O5和活性炭组成的器件以及电极动力学不匹配的T-Nb2O5和传统NCA电极组成的器件。
图3. 全器件电化学性能。

文章链接

A high-performance rocking-chair lithium-ion battery-supercapacitor hybrid device boosted by doubly matched capacity and kinetics of the faradaic electrodes
https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2021/EE/D1EE00317H#!divAbstract

通讯作者介绍

吴忠帅，中国科学院大连化学物理研究所首席研究员，博士生导师。
主要致力于二维材料化学与微纳电化学能源系统的应用基础研究。截止目前，已在Energy Environ. Sci.（5篇）、Adv. Mater.（15篇）、J. Am. Chem. Soc.（8篇）、Nat. Commun.（2篇）、ACS Nano（15篇）、Angew. Chem. Int. Ed.（3篇）、Adv. Energy. Mater.（7篇）、Energy Storage Mater. (15篇)、Natl. Sci. Rev.(3篇) 等国际知名期刊发表学术论文170余篇，IF>10的论文100余篇；被SCI他引21658次，32篇论文入选ESI高被引论文，H因子为53。入选英国皇家化学会会士（2020）、“科睿唯安”全球高被引科学家等（2018、2019、2020）、中组部引进“海外杰出青年人才”（2015）、辽宁省“兴辽英才计划”青年拔尖人才（2018）、辽宁省“百千万人才工程”-百人层次（2018）、大连市重点领域创新团队学术带头人（2020）；此外，担任Appl. Surf. Sci.编辑，J. Energy Chem.执行编委，受邀在国际电化学能源科学与技术会、国际储能材料会、国际石墨烯会、国际碳材料年会等做邀请报告60余次。获中科院引进“海外杰出人才”终期评估优秀奖（2019）、国家自然科学二等奖（第四完成人,2017）、辽宁省自然科学一等奖（第四完成人,2015）、全球同行评审奖（2019）、Nano Research新锐青年科学家（2020）、爱思唯尔Energy Storage Materials青年科学家（2019）、中科院大连化物所张大煜优秀学者（2018）。
课题组网页：www.zswu.dicp.ac.cn

课题组招聘

中国科学院大连化学物理研究所吴忠帅研究员团队招聘博士后3-5名。
中科院大连化学物理研究所“二维材料化学与能源应用”研究组（508组）主要致力于二维材料化学与能源应用的基础研究，包括二维能源材料与高效电化学能源器件、二维催化材料与能源转化应用。因工作需要，诚聘博士后3-5名。
课题组主页：http://www.zswu.dicp.ac.cn/

一、研究方向：
（1）二维材料化学制备与应用研究（储能、催化、传感等）；
（2）先进电池（锂离子/锂硫/锂空电池、固态电池、钠/钾等新型电池）材料与器件；
（3）双高超级电容器材料与器件；
（4）原位电化学器件模型构建及其动态表征研究；
（5）微型化、柔性化电化学能源材料、器件与微能源系统。

二、应聘条件：
（1）已获得博士学位或近期即将获得博士学位者；
（2）具有化工、物理、化学、电化学、材料学等相关专业背景，熟悉常见材料制备方法、特性、催化/电化学应用、以及器件组装工艺、性能测试和分析手段；
（3）具有材料、电池、超级电容器、催化、传感等方面研究经验者优先考虑；
（4）在国际核心期刊发表过一定数量的高质量相关研究论文；
（5）能独立开展科研工作，对科研充满热情和冲劲，且有团队协作和吃苦耐劳精神。

三、 待遇：
（1）. 博士后基本待遇保障：
1. 研究所为在站博士后（统招统分）缴纳社会保险（五险），建立住房公积金。
2. 博士后年收入（税前）：28万/年起（包括：住房公积金及省、市补助），平均年收入30.4万，最高年收入＞76万（根据2020年12月数据统计）。
3. 优秀博士后支持计划：每年组织2-3次遴选，资助等次：10万/年、20万/年、30万/年（资助期2年）.

（2）外部支持：
1）辽宁省优秀博士后奖励：20万（博士毕业学校全球排名前200）；
2）出站博士后来辽工作奖励：30万（博士毕业学校全球排名前200，博士后在站期间工作单位不限）；
3）国家博新计划：20万/年（国内博士）；
4）国际博士后交流计划引进项目：20万/年（外籍、海外博士）；
5）中科院PIFI项目（外籍博士）：25万/年。
※上述待遇可叠加获得，累计年收入最高可超100万

（3）. 博士后同事业编制职工同等享受子女入托、入学待遇，子女可进入中国科学院幼儿园、大连理工大学附属小学（综合排名全市前十）和大连理工大学附属中学（综合排名全市前十）就读。
（4）设施完备的博士后公寓，可以拎包入住。

四、未来发展：
博士后即为特别研究助理，出站后留所工作不受招聘竞争比例限制，通过考核后择优入事业编制。
1、博士后出站留所工作，具有事业编制身份，依法缴纳五险二金（职业年金、住房公积金）、享受公务员医疗待遇。
2、符合申领条件者，研究所给予20万元购房补贴；对于具有国内外知名大学授予的理工科博士学位或博士后出站人员，经大连市人才认定，给予30万元安家费。
3、博士后出站留所工作（博士毕业学校全球排名TOP200），可享受辽宁省优秀博士后来辽工作奖励30万。
4、博士后出站留所工作，可申请“大连化物所优秀青年博士人才计划”，择优评选，可直接聘为副研究员，研究所给予100万元科研启动经费，并提供50万元个人租（购）房补贴。
5、博士后出站留所工作，可申请“中科院大连化物所国际英才计划”，择优评选，由研究所提供资助，公派前往国际知名大学、科研机构学习交流。资助金额20万—40万/年，资助期1—3年。

五、 应聘方式：
本招聘长期有效，有意者请与联系人邮件或电话联系，并提供较为详实的简历及相关附件证明材料；同时按照大连化物所博士后申请指南申请。
在线简历填报网址：http://www.zp.dicp.ac.cn/web01.php
联系人：吴忠帅 研究员
E-mail: wuzs@dicp.ac.cn
电话：0411-82463036


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