本研究方向聚焦高效能量储存与转化的碳基、碲基、锡基、硫基、磷基、过渡金属化合物等材料的精细结构及特殊组成的原创性设计、调控制备、构效关系、性能提升机制、储能机理等的基础科学研究，及其在碱金属（锂/钠/钾）离子电池、锂硫电池、金属空气电池、锌离子电池、超级电容器、太阳能电池等领域中的应用探索。

目前本课题组在这个方向取得了很多优秀的成果，部分成果如下：

（1）锂硫二次电池具有价格低廉、环境友好、理论比能量高等优点，特别是硫正极材料的理论容量和比能量是传统锂电池正极材料的10倍以上，锂硫电池被公认为是未来锂离子电池最理想的替代品。然而，锂硫电池仍面临着不小的挑战，其中最关键的问题来源于电池充放电过程中产生的易溶解于电解液的中间产物 — 多硫化物。一方面，多硫化物的溶解增加了电解液的黏度，降低了离子导电性；另一方面，多硫化物的溶解导致活性物质急剧流失，电池的性能大幅衰减。因此，如何减少硫在电解液中的损失，实现有效“固硫”？如何设计出高载量的硫正极以提高比能量？这些都是目前实际应用过程中亟待解决的关键难题。

在这项工作中，我们利用π-π范德华力将蒽醌小分子插入氧化石墨烯巧妙构建杂化材料作为框架担载硫用于锂硫电池正极。研究结果表明优化后电池展现出高容量和优异的循环稳定性（在0.5C倍率下循环300次，每次平均容量衰减率低至0.019%；循环500次之后容量仍保持在81.7%）。密度泛函理论（DFT）计算和原位XRD分析结果证实了蒽醌的酮羰基在形成强路易斯酸基化学键过程中起着关键作用，有效地抑制多硫化物流失，从而有效提升电池循环稳定性。该研究为高性能Li-S电池硫基阴极设计提供了新视角。相关研究成果发表在(Nat. Commun. 2018, 9, 705)

目前，LiNi_1-x-yMn_xCo_yO₂（NMC）层状化合物已成为锂离子电池的主要正极材料。关于其在电化学循环过程中，晶体学缺陷对它们的结构演变和随之而来的性能降低的机理尚不完全清楚。鉴于此，课题组通过使用偏压原位透射TEM研究了去锂化后的高镍NMC的次生相和结构缺陷。确定了合成颗粒中三个不同相的共存，即层状，尖晶石和岩石盐相，以及它们之间的相界。在偏压下，观察到了反相边界(APB)的伸长，相干孪生边界(TB)附近的相变以及颗粒内部Li⁺脱出后引起的无序盐岩相的形成。

DFT计算证实了脱锂后APB形成的热力学趋势。此外，与正常晶序区域相比，TB处出现的岩盐相是由于在动力学上更容易进行的Li/TM交换所致。因此，这些相变倾向于在颗粒内部或在表面区域中形成接近于平面的缺陷，表明缺陷对电极降解的关键作用。该结果提供了脱锂过程中缺陷和次生阶段的动态情况，这有助于揭示高镍NMC性能下降的根源。相关研究结果发表在（Angew. Chem. Int. Ed. 2020, 59, 22092–22099）

锂硫电池（LSBs）作为一种很有前途的新型电化学电源，具有理论能量密度高、成本低、环境友好等优点。然而，LSBs的商业化仍然受到多硫化物的穿梭效应和缓慢的反应动力学的阻碍，这会导致活性材料的不可逆损失、锂金属负极的腐蚀以及电池内阻的增加，最终导致电池短路，循环寿命和低库仑效率。幸运的是，有机分子改性碳基中间层的开创性研究工作，以缓解碳材料极性差的问题，增强物理和化学吸附，改善多硫化物催化转化的反应动力学而不影响其优势碳材料（快速传质和电荷转移等）。然而，有机分子通过简单的重组进入基体仍然会在有机电解质中损失。此外，催化转化的机制尚不清晰。因此，设计和开发与碳材料紧密结合的新型有机分子对于加速多硫化物的催化转化、抑制穿梭效应和保持其结构稳定性至关重要。

为此，课题组开发了一种三（羟丙基）膦共价改性羟基化多壁碳纳米管作为先进锂硫电池的功能层。三（羟丙基）膦（THPP）作为锂硫电池功能插层中的活性物质，能够快速将液相多硫化锂（Li₂S_n, 4≤n≤8）催化转化固相硫化锂（Li₂S），从而有效抑制多硫化物穿梭效应。同时能够诱导锂负极表面形成稳定的固体电解液中间相（SEI）层，进而减少锂负极枝晶的形成。从而使本工作中设计的锂硫电池具有优异的倍率性能和长期稳定性。即使在低温下，1700次循环的容量衰减率也仅为每循环0.036%。这种通过将THPP分子共价接枝到中间层上而不改变电极结构的简单策略可能会为LSBs电池应用带来光明的未来。相关研究成果发表在(Angew. Chem. Int. Ed. 2022, )

（2）探索电极材料电化学反应的活性提升策略及储能过程机理一直是电池研究领域的关键课题。二氧化锡（SnO₂）是一种高容量锂/钠离子电池（LIB/SIB）负极材料。然而，实现SnO₂的理论储锂容量1494 mAh/g，以及深入揭示其储钠机理，至今依然是重要的挑战课题。

研究团队创造性地以聚丙烯酸-嵌段-聚乙二醇星型嵌段共聚物为限域纳米反应器，实现了4纳米均一粒径SnO₂颗粒的精准合成。利用颗粒表面接枝的PEG与氧化石墨烯（GO）上功能基团间的氢键作用，将SnO₂@PEG纳米颗粒均匀锚嵌在GO表面，经逐层堆叠后获得SnO₂@PEG-GO层状复合材料。研究证实，纳米尺度SnO₂具有超高储锂储钠电化学反应活性，PEG和GO分别作为离子和电子导体显著提升导电性，且PEG和GO分别作为纳米和微米层级的物理屏障高效抑制Sn粗化，使SnO₂@PEG-GO展现出超高容量和杰出循环性能。值得关注的是，该工作基于系列表征详细阐述了SnO₂的三步可逆储锂反应过程，并首次证实了SnO₂的储钠过程主要依赖于SnO和Sn之间的可逆电化学反应，对新型高容量电极材料的设计合成和储能机理研究具有一定借鉴意义。相关研究结果发表在（Adv. Energy Mater. 2022, 2201015）

（3）超级电容器在解决化石燃料消耗和环境污染方面问题具有巨大的潜力。新型能量储存材料引起了广泛关注，特别是在超级电容器材料的高能量密度性能方面。多孔碳由于具有高导电性、大比表面积和高化学稳定性，在超级电容器电极材料中是热门候选材料。杂原子掺杂的碳材料在能源领域中显示出巨大的优势，这是由于异质原子与宿主原子之间电荷极化和电负性/电子自旋密度的差异造成的。因此，掺杂杂原子（N、P、B、S等）可以通过改变带隙和表面电子性质（润湿性、电子云分布等）来提高电化学活性。

因此，课题组直接以富含杂原子的生物质为碳基，以铁氰化钾作为铁络合物的前体。引入了一种简单直接的策略，用于原位合成铁络合物（FeX，其中包括O，C和P）纳米粒子包裹在生物质衍生的N，P共掺杂碳纳米管（NPCNT）中，与衍生自蛋黄碳化的富含杂原子的碳纳米材料相比，杂原子掺杂的协同作用，FeX纳米颗粒的结合和独特的结构特征赋予所制备的样品优异的电化学性能。使用所制备的FeX@NPCNTs杂化纳米材料作为电活性材料，最终证明了具有高容量和长期循环特性的对称超级电容器（在10 Ag^-1的电流密度下，在50 000次循环后电容保持率超过99％）。在0.5 A g^-1时体积电容已达到1312.0 Fcm^-3。相关研究结果发表在（Adv. Energy Mater. 2019, 9, 1803221）