我国经济与社会的快速发展造成能源相对短缺，同时化石能源的大量使用带来了环境污染。这些问题制约着未来社会的可持续发展。因此，可再生能源的开发和利用是实现可持续发展的有效手段。电化学能量的高密度储存与高效率转化是能源清洁利用的关键。
高效的储能系统是电动汽车用动力电池、太阳能及风能等间歇性能源存储的核心技术领域。储能技术正向大规模、高容量、长寿命、低成本、无污染的方向发展。但是现有的电极材料因其反应动力学缓慢、反应活性及循环寿命差、容量低等问题，急需寻找新的高容量密度的电极材料及储能体系。纳米结构电极可提高电化学反应活性，但在反复充放电过程中纳米颗粒易团聚、从集流体脱落造成循环寿命差。上述科学与技术难题，限制了体系的实际能量功率密度、能量转化效率以及使用寿命，难以满足当今社会需求。
纳米电极材料由于尺寸小、扩散路径短、比表面积大等特点，可增大反应活性位点、提高反应动力学、优化反应界面具有独特优势，其性能与材料表面结构密切相关。如何实现纳米电极材料的可控制备与结构调控、揭示表面结构与电化学性能之间的构效关系，探讨纳米结构中电极反应机理，揭示离子输运、电子传导、电极表面活性位点和缺陷、能量传输与转换的新规律及其演化过程，仍然是挑战性课题。
项目针对上述研究背景和关键科学问题，通过三维网络铜集流体上一体化电极构筑、界面工程调控电极表界面、碳基质限域纳米活性材料、新型低成本钠离子电极材料开发，以获得高容量、高活性、高倍率、长寿命储能系统。该项目研究对于研发高比能、大功率、长寿命、低成本的能量储存与转化体系具有重要意义。项目研究为新能源材料与高能化学电源提供了理论研究依据，在先进电池领域显示了优异的应用前景，为清洁能源产业体系的研发提供了技术基础。
2005年，焦丽芳在南开大学无机化学专业获得博士学位后留校任教，2016年获国家基金委优秀青年基金资助，2017年入选南开大学百名青年学科带头人，2019年获天津市自然科学一等奖（第一完成人），2020年获国家基金委杰出青年基金资助。主要研究方向聚焦于能源的高效储存与电催化转化：设计合成高性能锂/钠/钾离子电池关键电极材料，揭示新材料储能机制；设计开发催化活性高、稳定性好、选择性强的廉价电催化水分解催化剂。在能源储存与转化领域取得了系列优秀研究成果，有力推动了该领域的发展与进步。(www.xing528.com)
在能源发展新时代，我国能源行业应贯彻习近平总书记十九大报告精神，以能源发展“十三五”规划为指引，构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系。然而，日益加剧的环境和能源问题给现代社会的发展带来了巨大的挑战，以化石燃料为基础的能源发电技术对环境的破坏引发了许多全球性的问题，同时，有限的化石燃料已经不能满足人类日益增长的能源需求，因此清洁可再生能源得到了越来越多的关注。众所周知，太阳能、风能、潮汐能等是清洁可再生一次能源，但这些能源都存在间歇性和区域限制，如何将这些可再生能源高效转化与储存成为当前的研究热点。
基于此，焦丽芳教授的工作聚焦于可再生能源的高效储存与电催化转化。（1）可再生能源的高效存储：二次电池储能因存储容量灵活可调、模块化集成度高、易于移动、不受地理环境制约等特点，可实现将可再生一次能源产生的电能高效储存。（2）可再生能源的高效催化转化：氢能作为清洁可再生能源多采用化石燃料气化重整制备，但存在能耗高、污染重、氢气纯度低等问题。而利用太阳能、风能等间歇式能源转化的低压“弃电”进行电催化水分解制氢技术，方法绿色环保，氢气纯度高。
迄今，焦丽芳教授已在Angew.Chem.、Chem.Soc.Rev.和Adv.Mater.等国际著名学术期刊上发表研究论文200余篇，总引用11000余次，H指数57；2019年荣获天津市自然科学一等奖。
成果完成人：焦丽芳、陈军、王一菁、袁华堂、刘永畅、曹康哲、金婷、卢艳莹
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