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《深圳先进院发表新型双离子电池综述》

  • 来源专题：中国科学院亮点监测
  • 编译者： liuzh
  • 发布时间：2018-09-18

  • 近日，中国科学院深圳先进技术研究院集成所功能薄膜材料研究中心研究员唐永炳（通讯作者）及其团队成员王蒙在《先进能源材料》上发表综述，评述了新型双离子电池体系中的反应机理、优势、挑战及最新研究进展。团队基于上述技术已申请专利并成功完成了技术转移孵化，建成的圆柱、软包、方壳电池中试产线已顺利完成验收。

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  • 《深圳先进院等研发出可在室温下稳定工作的新型钙离子电池》
    • 来源专题：中国科学院亮点监测
    • 编译者：yanyf@mail.las.ac.cn
    • 发布时间：2018-07-30
    •         近日，中国科学院深圳先进技术研究院功能薄膜材料研究中心研究员唐永炳及其研究团队联合清华-伯克利深圳学院、中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心研究员成会明研发出一种高性能的钙离子电池。他们通过对电池结构的创新，使钙离子电池具有全新的电化学反应机理，并实现了室温下稳定的充放电反应。相关研究结果以Reversible calcium alloying enables a practical room-temperature rechargeable calcium-ion battery with a high discharge voltage（《基于钙-锡合金化反应的室温下稳定运行的高电压钙离子电池》）为题在线发表于《自然》子刊《自然-化学》（Nature Chemistry，doi:10.1038/s41557-018-0045-4）上，并申请了中国发明专利（201710184368.1）和PCT专利（PCT/CN2017/078203）。 　　在碱土金属元素中，钙具有极化低、标准电极电势与锂接近（Ca2+/Ca：−2.868 V vs. SHE，仅比锂高170 mV）、离子为+2价（带电荷数目为锂离子的两倍）、储量丰富、成本较低的优点，因此，钙离子电池具有成为高效低成本储能电池的潜力。然而，1991年Aurbach等人发现在传统有机电解液中钙离子很难穿透钙金属负极表面的钝化膜，导致钙离子无法像锂离子那样发生可逆的氧化还原反应（J. Electrochem. Soc. 1991, 138, 3536），此后钙离子电池的研究进展缓慢。直到2016年，MIT的Sadoway等人采用熔融态的CaCl2和LiCl作为电解质，同时利用熔融的Ca-Mg合金和Bi金属分别作为负极和正极材料，研发出了一种新型钙离子液态电池，其工作电压虽然不高（<1V），但在高温下（550-700°C）表现出良好的循环稳定性(Nat. Commun. 2016, 7, 10999)。而西班牙科学家Palacin等人虽然在室温下未发现钙离子的可逆氧化还原反应，但在75-100°C温度下发现钙离子在碳酸酯类电解液中能在钙负极表面发生可逆沉积反应，并且在100°C 下能循环30周以上(Nat. Mater. 2016, 15, 169)。虽然高温下的可逆充放电现象的发现为钙离子电池的发展带来了希望，但要想使钙离子电池具有实用价值，其工作温度还须降低到室温附近，需要找到能实现可逆钙离子嵌入/脱出的正负极材料并提高其电化学性能，包括室温循环特性、倍率特性和工作电压(目前<2V)。 　　该团队通过研究二元相图后发现钙与钠、锌、锡等多种金属能形成合金相，进一步对多种金属负极在含有Ca(PF6)2的碳酸酯类电解液中的充放电特性进行了研究，发现锡在钙离子电解液中具有较好的可逆反应和比容量，在首次充电过程中电解液中的钙离子和锡负极发生合金化反应形成Ca7Sn6合金，放电时Ca7Sn6发生去合金化反应。理论模拟计算与原位电化学应力测试表明，钙和锡在Ca7Sn6合金相中的四种成键情形都具有较低的结合能，而且钙离子嵌入锡负极时的电化学应力为压应力，这种压应力不仅有助于维持材料的结构稳定而且在钙离子嵌入/脱出过程中有良好的可逆性。 　　基于上述发现，该团队提出了一种新型的钙离子电池：以锡箔作为负极与钙离子发生可逆合金化反应，同时采用活性材料与集流体的一体化设计；以石墨作为正极实现阴离子（PF6−）的可逆插层/脱嵌反应；以溶有六氟磷酸钙、具有5V耐高压特性的碳酸酯类溶剂为电解液。该钙离子电池具有优异的电化学性能，平均放电中压高达4.45V，在室温下循环350圈后的容量保持率大于95%。 　　该工作拓展了钙离子电池体系，丰富了钙离子电池体系中正极、负极、电解液等关键材料的选择范围，对基于多价态离子的新型储能器件的研究与开发具有重要借鉴意义。
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  • 《深圳先进院发现超构表面慢光新原理》
    • 来源专题：计量基标准与精密测量
    • 编译者：李晓萌
    • 发布时间：2024-01-24
    • 1月6日，中国科学院深圳先进技术研究院深圳先进集成技术研究所李光元课题组，在《纳米快报》（Nano Letters）上，发表了题为Ultrahigh-Q Metasurface Transparency Band Induced by Collective-Collective Coupling的研究成果，并被选为封面文章。 针对超构表面采用类电磁辐射透明（EIT）现象实现慢光效应所面临的高损耗问题，该研究提出了基于晶格共振与晶格共振发生耦合诱导产生的新型类EIT现象，抑制了其损耗，从而在100纳米高度的硅纳米柱阵列上实现了慢光效应（光速减慢了1万多倍）。同时，研究在实验上测得高达2750的超高品质因子，数倍于现有纪录（483）。进一步，研究发现了具有连续域束缚态（BIC）特性的集体型类EIT现象，其品质因子和慢光指数在理论上均按照反二次函数发散到无穷大。这一创新设计为实现超高性能的慢光光子芯片器件提供了新思路。 光速是宇宙中最快的速度，也是所有物质和信息传播的速度上限，被认为是无法超越的。真空中的光速c约为30万公里/秒，是一个物理常数。在狭义相对论中，光速c将时间与空间联系在一起，也将质量与能量通过质能等价方程E=mc2联系在一起。根据狭义相对论，当我们的速度接近光速时，时间会变慢，这与古人说的“天上一日，地上一年”吻合。 光速不能被超越，但能被减慢。例如，光通过玻璃或水之类的介质时速度放缓。将光速减慢，有助于更好地操控光子，进而提升对光信息的获取、传输、处理与缓存的能力以及光传感、光通信、光路由、光调制和光存储等相关应用和器件的性能。以生化光子传感应用为例，当光速减慢后，光的能量密度将增大，从而有效提高传感灵敏度。因此，如何将光速减慢是研究的关键目标之一。 由于常规材料的折射率不高，光速减慢有限。为了减慢光速，科学家提出了电磁诱导透明（EIT）、玻色-爱因斯坦凝聚、光子晶体等多种技术来实现强慢光效应。其中，EIT技术是最早实现强慢光效应的方法，其原理是利用原子系统跃迁通道之间的量子相干效应来消除电磁波传播过程中介质的影响。基于EIT技术，1999年美国哈佛大学Hau等在450nK的超冷原子中实现了17m/s的极慢光速（相当于一名优秀运动员的自行车骑行速度）。然而，所有这些强慢光器件的核心限制因素在于：由损耗带来的缓存时间不足或光与物质相互作用长度不够的问题。 作为平面化的人工电磁材料，超构表面被认为是一个“自由操控光的平台和未来光电器件的颠覆者”。近年来，基于超构表面来模拟EIT现象，成为光子芯片在室温下产生强慢光效应的研究热点。然而，受制于超构表面所支持的局域共振的巨大损耗，其慢光性能并不理想。 李光元课题组致力于探索超构表面的损耗抑制机理，在基于表面晶格共振（SLR）的超高品质因子超构表面的理论设计和实验性能上取得了一系列进展。以此为基础，该团队基于硅纳米柱阵列结构所支持的米氏电偶极SLR分别与面内或面外电四偶极SLR之间的干涉耦合，提出了两种具有集体共振特性的新型类EIT现象，在室温下实现强慢光效应（光速被减慢1万倍以上，即30公里/秒以下）的同时，抑制了损耗，从而在实验上测得破纪录的品质因子。该原理不同于传统超构表面类EIT现象：后者基于局域共振之间的干涉耦合，因此需要将两个独立的纳米结构靠得足够近来实现，对纳米加工能力提出了挑战，同时，由于局域共振所受的散射损耗较高，导致类EIT现象的品质因子和慢光指数均有限。 研究显示，由面内电四偶极SLR与电偶极SLR干涉耦合产生的新型类EIT现象继承了前者的BIC特性，导致其品质因子与慢光指数在理论上均按照反二次函数发散到无穷大。此外，通过参数调节，研究还观测到由这两种类EIT现象形成的双频EIT带。 本研究利用晶格共振之间的干涉耦合，在超构表面上实现超高品质因子（即超低损耗）的强慢光效应，有望在光通信、光计算和光存储等领域光调制器和光缓存器，以及光传感领域的超高灵敏度传感器方面获得应用，并为慢光超构表面硅基光子芯片的设计和研究提供了新思路。 研究工作得到国家自然科学基金、广东省自然科学基金和深圳市科技计划的支持。
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