无机材料的氢、锂、镁储存与电池性能研究

高能化学电源是实现能量高效储存与转化的关键，提升其能量转化、储存和利用效率在节约常规能源、开发和利用新能源方面具有重要的现实意义。

氢燃料电池、锂离子电池、太阳能电池等作为化学能或光能-电能转化的装置及器件，在便携式电子信息产品、节能环保型交通工具、新能源与可再生能源并网发电储能电站等领域都具有特殊的重要地位，是推动新能源与可再生能源发展的关键科学技术，对优化能源结构，实现节能减排目标，使能源供应多元化、清洁化和低碳化具有十分重要的意义。然而，现有的能量储存与转化装置存在关键材料反应活性低、动力学缓慢、物质输运和电荷传递受限等科学与技术难题，造成能量转化效率低，体系的实际能量和功率密度偏低，难以满足社会需求。

陈军，1967年生，1985—1992年在南开大学化学系学习，先后获学士、硕士学位，并于1992年留校工作；1996—1999年在澳大利亚Wollongong大学材料系学习，获博士学位；1999—2002年在日本大阪工业技术研究所任研究员。自2002年任南开大学教授、博士生导师，2017年当选中国科学院院士，2020年当选发展中国家科学院院士。现任南开大学副校长、先进能源材料化学教育部重点实验室主任。从事能源化学及高能电池的研究。项目针对氢、锂、钠、镁等无机材料的化学能/电能储存与转化所存在的反应活性低、动力学缓慢、物质输运和电荷传递受限等科学与技术难题，开展能量高效储存与转化探索研究，通过化学、纳米和能源的交叉学科研究，探索使用新材料，来提升能量转化效率与能量储存密度，提高电池安全性能，为降低电池电极材料成本及解决电池燃烧爆炸提供了新思路。

电池是储存化学能，并将其转化为电能的一个体系。电池研究有两个重点：一个是转化效率，一个是储存密度，需要不断提升转化效率和储存密度。项目正是关注这两点，通过化学、纳米和能源的交叉学科研究，探索使用新材料，来提升能量转化效率与能量储存密度，并从这两个方面优化电池效能。

能量储存与转化依赖于材料组成和结构，项目针对氢、锂、钠、镁等无机材料的化学能/电能储存与转化所存在的反应活性低、动力学缓慢、物质输运和电荷传递受限等科学与技术难题，将化学、材料、能源和纳米科技进行有机结合，围绕氢燃料电池、锂离子电池、太阳能电池等能量储存与转化装置所涉及的关键材料，深入研究关键材料的可控制备，优化材料的组成、结构与性能，旨在阐明反应过程中组成和结构变化、物质输运与电荷传递规律、能量储存与转化机理，指导设计高效能量存储与转化新器件。通过该项研究，设计合成性能优异的先进电池材料，组装成性能更高的化学电源，以满足当今高新科技如高性能电动车、氢能经济等对化学电源的迫切要求。

开发新型电池材料和技术是能量储存与转化领域最热点的研究课题之一，而发展高能量密度和高功率密度的电极材料又是研究的重点。该项目主要研究工作及创新点如下：

1.系统研究了Fe、Co、Ni、V、Mn、Mo等3d电子过渡金属氧化物和复合氧化物的电化学性能和电荷转移行为，构建了基于Fe2O3、MnO2等纳米电极材料的高比容量和高功率密度锂离子和锌锰电池，为新型电极材料和高能电池的研制与应用提供了新思路。(www.xing528.com)

2.通过调变含有金属（Ti、Mo、W）与非金属（S、Se、Te）元素的反应物，以及反应、成核和生长条件，实现了TiS2、TiSe2、TiTe2、MoS2、WS2等硫属化合物材料形貌和尺寸的调控，发展的固相、液相及气相三种合成路径为国内外同行所采用，阐明了层状硫属化合物储能反应特性与结构变化规律，揭示了纳米管等纳米/微米材料独特的结构在能量储存与转化方面所显示出的优异性能。

3.研究了Mg、Al、Si等轻质材料在能量储存与转化中的反应规律，阐明了反应体系中材料尺寸、形貌对热力学和动力学性质的影响规律和机制，发展了轻元素单质纳米材料较为普适的制备方法，优化了与之匹配的电解液体系，构筑了新型金属空气电池与锂离子电池，为高能量密度新型电池关键材料的研发提供了新途径。

4.设计合成了ZnIn2S4等三元硫属化合物纳米管的制备和成相机理，以及一系列具有不同“D-π-A”分子结构的新化合物，揭示了其光电转化性能的影响规律，为新型薄膜太阳能电池关键材料及器件的研发提供了理论指导与实验依据。

上述研究工作取得了一系列原始创新成果，处于国际领先水平，得到了国内外专家学者的高度评价，为新型氢、锂、镁电池的研制与应用提供了新思路，推动了新能源与可再生能源发展。

项目组在新型氢、锂、镁电池的研究中不断取得新成果，为新能源电池的研制与应用提供了新思路，推动了新能源与可再生能源发展。项目在2006年获天津市自然科学一等奖，2011年获国家自然科学二等奖。陈军院士获2007年中国电化学青年奖和2009年通用汽车中国高校汽车领域创新人才一等奖。