研究领域
RESEARCH AREAS
1.能量储存和转换
介绍
可充电电池对我们的生活至关重要，在各种电动汽车的电源中也发挥着重要作用。高能电池需求的增加要求开发高容量电极材料和高压阴极。在这一领域，我们的研究一直集中在开发下一代高效先进的锂离子电池阴极/阳极，以及锂离子电池以外的电池（如钠离子电池、锂硫电池）。例如，在我们之前的工作中，我们开发了一种新的原子级多元素方法，用多种元素掺杂LCO晶体结构。所得掺杂的LiCoO2可以承受电池电势的增加，并且仍然可以在高压下有效地传输锂离子，表现出非凡的电化学性能：190 mAh/g的高容量，接近LiCoO2理论比容量的70%；长循环能力（在4.5V vs Li/Li+的截止电压下，50次循环的容量保持率为96%）；并且显著增强了速率能力。这种性能是多种掺杂元素对结构稳定性和锂离子扩散的综合影响的结果，这得到了各种电化学研究和基于同步加速器的表征的支持。特别是，在高电压范围内，O3-O6（H1-3）-O1和有序/无序相变得到了极大的抑制。
因此，在我未来的研究中，我们的研究将继续关注新型阴极，如高压LiCoO2、富锂层状金属氧化物、富镍阴极材料等；阳极（Si、Li金属；硬碳和SnO2等）；固态电解质和聚合物基添加剂。它们的合成、结构、电化学、性能-结构-性能关系和安全性能将通过各种表征技术，特别是先进的同步加速器和中子散射技术进行广泛研究。
研究课题
高容量阴极/阳极材料
高压阴极材料
新型钠离子电极材料
进一步阅读
“石墨烯改性的纳米结构五氧化二钒杂化物在锂离子电池中具有非凡的电化学性能”，刘齐等，自然通讯，2015，66127。[查看]
“通过镧和铝掺杂接近锂离子电池中锂钴氧化物的容量极限”。刘琦等，自然能源，2018，3936-943。[查看]
2.电池安全
介绍
锂离子电池的安全性对其应用至关重要。2013年，锂离子电池安全事故导致波音787价值数百万美元的系统受损。最近，电动汽车锂离子电池爆炸事件引起了媒体和法律界的广泛关注。为了缓解安全问题，了解正常循环中锂的插入/拔出机制和失效机制具有科学和工程意义。在我们之前的工作中，我们正在研究LiFePO4的锂离子电池故障机制，以便我们能够从根本上了解故障的原因以及故障是如何演变的。该领域已发表多篇论文（JECS.2015，162，A2195，ACS应用材料界面，2014，63282，JECS.2014，161，A620，JECS.2013，160，A793，JECS.2012，159，A678，ACS应用物质与界面，2018，104622）。
任何故障都源于锂离子电池的材料结构变化。我们的假设是：（1）当阳极过度充电时，Li+离子可能会以Li金属的形式沉积在阳极（阴极）上。金属锂可能与电解质反应或形成树枝状晶体，导致内部短路。（2） 固体电极内的Li+离子扩散可能会受到微观结构变化（由于机械膨胀/收缩导致的晶格坍塌）的阻碍。结构劣化可能导致扩散电阻缓慢增加，扩散电阻缓慢演变为扩散势垒，导致内部阻抗增加。在我未来的研究中，我们的研究将继续专注于开发先进的诊断技术，以确定锂离子电池的失效机制；对锂离子和钠离子电池的安全问题进行基础研究。通常，将应用先进的同步加速器和中子散射技术。电化学实验结合原位X射线/中子应该能够提供有关锂离子电池结构性能的信息，并阐明其失效机制。研究结果将用于开发早期检测和保护系统，以防止锂离子电池故障的发生。
研究课题
采用全面系统的方法研究LIB的失效机制
开发早期检测和保护系统，防止LIB故障的发生
进一步阅读
“使用电化学阻抗谱对商用LiFePO4电池在过放电条件下的失效研究”。刘亚东，刘奇，等，电化学学会学报，2015161，A620-A632。[查看]
“商用18650 LiFePO4基锂离子电池的容量衰减机制：原位时间分辨高能同步辐射XRD研究”。刘琦等，ACS应用材料与界面，2018，104622-4629。[查看]
3.阶段转换
介绍
用于相变电极的新型先进同步加速器X射线技术。相变电极（如LiFePO4、V2O5、NaFePO4、Na3Ti3（PO4）3和NaVOPO4）已被公认为锂离子电池或钠离子电池的下一代电极材料。然而，由于缺乏原位、非破坏性技术来研究这些材料中Li+/Na+的插入/脱嵌机制，相关性能的机制仍不完全清楚。在我之前的工作中，利用先进的同步加速器技术，已经清楚地阐明了商用18650电池中LiFePO4的动态化学和结构变化，提出的双相固溶体机制可以解释LiFePO4在商用电池中的显著倍率性能（ACS Applied Materials Interfaces，2014，63282）。结合同步加速器XRD和光谱技术，V2O5（电化学学报，2014136318）和VO2（B）（纳米能源，201736197-205）的锂离子插入行为和相变行为也得到了阐明。
因此，在我未来的研究中，我将开发和利用先进的同步辐射X射线/中子技术，包括不同国家用户设施的衍射、小角度散射、光谱和成像（例如阿贡国家实验室的先进光子源、布鲁克海文国家实验室的国家同步辐射光源II、劳伦斯伯克利国家实验室的高级光源、东莞的中国散裂中子源），并结合现有的电分析技术，研究现实操作条件下的相变过程和界面过程。
1.能量储存和转换
研究课题
相变过程/行为
界面过程
进一步阅读
“商用18650 LiFePO4电池中LiFePO4阴极的速率依赖性锂离子插入/脱插入行为”，刘奇等人，ACS应用材料界面，2014，63282-3289。[查看]
“揭示单晶VO2纳米棒在锂化/脱锂过程中结构可逆性的机制”。刘奇等，纳米能源，2017，36197-205。[查看]
4.多模同步辐射技术
介绍
同步辐射是一种电磁辐射源，通常由储存环产生，用于科学和技术目的。在这个领域，我的研究主要集中在开发/建立新的同步加速器能力，以解决能源界以及其他需要稳健多峰表征（XRD、光谱学和成像）的研究界的挑战。例如，在我之前的工作中，作为主要研究人员，我参与了开发以下两种同步加速器技术：
1） 集成储能材料多模态成像的框架：改进电池需要了解许多材料在不同电化学反应阶段在多个长度尺度上的相互作用。为了应对这一挑战，我结合四种不同的x射线技术建造了一种新的x射线投影显微镜（XPM），并用它来研究电池材料。XPM将允许通过纳米CT、纳米XRD、纳米XRF和纳米XAS检测（X4显微镜）对电池进行原位表征。X4将利用基于全场成像的纳米CT的快速时间分辨率来识别样品材料中的感兴趣区域（ROI）。然后，将在纳米级的ROI上进行XRD、XRF和XAS。该项目开发的工具将在解决储能研究中的基本问题方面实现革命性的飞跃。在我未来的研究中，我将利用这些新功能和已建立的标准数据分析工具来研究电池研究中最基本的问题，例如a）锂离子电池中固体电解质界面（SEI）的形成和特征；b） 循环过程中锂枝晶的形成和生长机理。
2） 可扩展微波反应器与高能X射线束线的集成，用于高能纳米材料合成的高通量筛选：微波化学被认为是一种更环保的材料合成方法。然而，微波加热中存在的快速反应动力学和微波反应器的设计使得原位研究胶体纳米粒子的实时演化变得非常困难。这一挑战严重阻碍了我们对反应动力学的理解以及对合成纳米颗粒性质的精确控制。在我之前的工作中，我成功地将微波反应堆与高能X射线同步加速器束线集成在一起。已建立的研究平台使我们首次能够在大型、统计相关的溶液中捕捉到纳米晶体形成的快速动力学。综合数据分析揭示了与银纳米粒子的成核和生长相对应的两种不同类型的反应动力学。（《纳米快报》，2016，16（1），715-720）。重要的是，在未来，在光束线1-ID-E，APS建立的研究平台也可以帮助我进一步了解胶体纳米颗粒形成中涉及的复杂成核和生长机制，从而能够更好地设计和合成质量和性能得到改善的纳米颗粒。
研究课题
锂离子电池固体电解质界面的形成与特征
循环过程中锂枝晶的形成与生长机理
理解胶体纳米粒子形成过程中的复杂成核和生长机制
进一步阅读
“通过原位高能X射线散射量化微波纳米化学的成核和生长动力学”。刘奇等，纳米快报，2016，16715-720。[查看]
