奖项类别

科技进步奖（基础研究类）

主要完成单位

华中科技大学

主要完成人

周敏，王康丽，蒋凯，王玮，李浩秒，王如星，李威

项目亮点

针对复杂服役工况下电池材料-界面-器件多层级不可逆变化这一制约储能电池安全特性与服役寿命的核心科学问题，揭示亲钠元素协同活化电化学反应新机制，发展界面有序电场应力疏导新方法，提出电-热动态自适应调控新策略，为发展长寿命、高安全、低成本储能电池提供了全新理论框架。

项目介绍

电化学储能配置灵活、响应迅速，是最具发展潜力的储能技术之一，也是全球高度关注的研究热点。但实际投运的电池储能系统运行寿命短、储能成本高、安全隐患大，难以满足规模储能的重大需求，其根本原因是复杂服役工况下电池材料-界面-器件多层级的不可逆变化。本项目聚焦这一核心科学问题，历时十年攻关，首次提出能带匹配离子选择性嵌入新机制，创制亲钠元素协同活化电极新材料；发现异质界面有序电场应力疏导新现象，提出多场耦合协同应力定向消融新方法；提出了电-热动态自适应调控新策略，循环寿命突破20000圈。

主要科学发现如下：

（1）首次提出离子选择性嵌入新机制，通过在电极材料中引入费米能级匹配的掺杂原子或基团，有效重构局域电子结构，扩展储钠空间，降低嵌入离子尺寸，从电子结构本征特性出发实现材料应力的主动调控。基于多物理场耦合的超临界流体异质元素掺杂实现生物质碳基材料的超高比例S掺杂（36.9%）和P掺杂（30%），“扩展+活化”反应新机制使电极材料循环过程中晶格膨胀率降低90%。中国工程院院士陈立泉评价为发展高性能电极材料指明了新的方向。

（2）发现了异质界面有序电场应力疏导效应，基于晶格与能带匹配原则在电极界面构建了系列共格异质界面，显著降低脱溶剂化能垒（降低30%），电池在90 C超高倍率充放电下循环寿命提升两个数量级（文献最高）。创新提出了等离子体-化学场耦合界面协同调控新方法，实现了界面的自发重构（杨氏模量提高3倍）。新加坡国家科学学院士楼雄文教授等评价该技术“是构筑高质量电极界面的理想方式”。

（3）阐明储能电池物理场与化学环境的作用机制，化学场的屏蔽诱导效应调控电解液分解路径，磁场等物理场调控离子传输路径，降低内部浓差极化；建立了考虑浓度场、温度场的大容量电池单体电-热耦合模型，提出电-热动态自适应储能寿命调控新策略，电池单体循环突破20000圈。诺贝尔奖获得者John B. Goodenough认为该新体系具有本征优势，适合规模储能。

8篇代表性论文发表在EES、AEM等权威期刊，他引总计1912次，单篇他引达535次（WOS核心合集），研究工作得到包括诺贝尔化学奖得主在内的37位院士、180余位Fellow的高度评价。项目第一完成人是中国科协“青年人才托举工程”入选者，联合主编国内首部电工材料领域的中国学科发展战略丛书《先进电工材料》等。项目成果在电池头部企业得到重要应用，为发展长寿命、高安全、低成本储能电池提供了全新理论框架。

项目图片

完成单位介绍及对项目的贡献

华中科技大学电气与电子工程学院和强电磁工程与新技术国家重点实验室积极倡导并努力实践基于储能技术的稳定电力系统这一新的研究方向，在飞轮储能、超导磁储能和储能电池等方面的研究取得了很好的成绩，拥有国内一流的储能技术实验研究平台，具有开展大规模储能电池充放电特性和储能电池控制技术研究等方面良好的实验条件。面向大规模电力系统的应用需求，研究团队一直致力于储能技术的大规模应用研究，开展了锂离子电池以及新型二次电池方向的研究，相关成果包括：

（1）在锂离子电池方面，开发了低成本规模化材料合成及改性技术、全电池匹配技术、电池成组与管理等方面大量的核心技术，并与多家企业开展密切合作；

（2）在新型二次电池方面，聚焦液态金属电池、钠离子电池、锂硫电池等新型电化学储能技术的应用基础研究，发展了一系列低成本高性能的液态金属电池以及钠离子电池关键材料与技术，并联合企业开展液态金属电池的大规模应用研究。

第一完成人简介

周敏，女，博士，华中科技大学电气与电子工程学院副教授，担任电工技术学会青年工作委员会委员等。围绕适应电力系统不同需求的高比能、大功率、长寿命电化学储能系统的问题，开展廉价清洁的碳基聚合物储能材料、多物理场耦合条件下材料的制备以及低成本钠离子电池的深入研究。以第一作者或通讯作者在Energy & Environmental Science, Advanced Materials，Advanced Energy Materials， Advanced Functional Materials， Advanced Science等杂志发表SCI论文60余篇（5篇ESI高被引，29篇IF>10）；论文累计引用4800余次，授权发明专利10余项；主持自然科学基金（面上、青年等）；作为骨干参与中国科学院-国家自然科学基金战略研究项目等，入选中国科学技术协会“青年人才托举工程”入选者，电工理论与新技术领域“卓越青年”，华中科技大学“卓越学者”。参与编写中国学科发展战略丛书《先进电工材料》，《钠离子电池原理与技术》等