在“双碳”目标的推动下，电化学储能技术展现出巨大的潜力，成为清洁能源转型和资源高效利用的关键技术。锂离子电池、超级电容器、全固态电池、锂硫电池、金属-气体电池、锌离子电池和钠离子电池等技术，在智能电网、大规模储能、电动汽车、低空飞行器和3C电子产品等领域具有重要的应用场景。我们的研究重点在于合理设计与优化关键材料以及器件设计，以提升储能效率、延长电池寿命并推动技术进步，从而实现高效且可持续的能源存储解决方案。
一、锂离子电池电极材料
电极材料是决定锂离子电池能量密度、功率密度和循环寿命的关键因素。为此，我们发展了多种结构调控策略，有效改善了锂离子电池正负极材料的容量、倍率性能和循环稳定性，并借助原位表征技术和理论计算分析研究了电极材料的电荷补偿规律和储能机制。正极方面，通过近表面梯度氟化重构、体表一体化、交替非均匀超晶格、晶面调控等策略，调控层装正极的体相与界面结构，实现了高电压稳定的高比能层状正极材料放量制备。负极方面，通过元素掺杂、微纳结构设计、异质结构调控等多种策略，调控体相/表面电荷存储过程，提升锂离子存储动力学，获得了高容量、高倍率、长循环稳定的负极材料。
二、电解液
伴随着便携式电子技术的快速发展和汽车电气化的需求，迫切需要发展具有更高能量密度、更长寿命和更加安全的新一代锂离子电池。在电化学储能器件中，电解液作为供给的“血液”，对正负极材料选择、界面兼容性、高压稳定性、快充性能、工作温区和安全性等具有重要影响。我们课题组针对不同电解液体系开展了一系列研究工作。对于有机系电解液，发展了多组分协同调控、富阴离子溶剂化结构设计、双界面调控等策略，实现了宽电压窗口、宽温度区间和快速界面反应动力学，获得了高压快充的钴酸锂、三元、富锂锰基电池；对于水系电解液，通过高浓盐、双添加剂协同等策略，实现了低凝固点和宽电化学稳定窗口以及优异的离子电导率，实现了储能器件在超低温下依然能够长时间稳定运行；对于离子液体电解液，通过利用强弱配位思路，解决了离子液体基电解液的高粘度、低离子电导率、高熔点的问题同时保持了电解液的高电化学窗口，实现了低温、高压、高能量密度和长寿命的超级电容器。
三、超级电容器&电池-电容混合储能器件
我们从电极材料、电解液和器件构型设计三方面入手,在双电层电容器和电池-电容混合储能器件的关键材料开发与界面化学调控方面，取得一系列进展。主要包括：（1）基于离子液体和有机电解液，开发了一系列耐高温或耐低温双电层电容器；（2）围绕高能量密度和高功率密度锂离子电容器负极材料展开系统研究，设计制备出了高比容量、高首效、合适的充放电平台、优良的倍率性能和循环稳定性的硬炭材料，构筑了双炭锂离子电容器；（3）探索了高比容量、快速反应动力学的二维赝电容材料的普适性构建方法，结合多种表征手段，明晰了赝电容储能过程，并以此构筑了高能量密度、高功率密度的储能器件；（4）提出了容量和动力学双匹配的策略，构建出高能量密度和功率密度的摇椅式和Daniell构型的电池-电容混合储能器件。
四、全固态电池
全固态锂电池（ASSLBs）因其高能量密度和较传统液态电解质电池显著提升的安全性而受到广泛关注。然而，发展高离子电导率的硫化物固态电解质并对其内锂离子传输的机理给出解释，电解质和正负极之间的界面兼容性以及其空气稳定性等方面的挑战仍然阻碍了硫化物ASSLBs的实际应用。为此，我们在电解质设计制备、正负极材料优化和界面调控等方面开展研究。对于电解质，通过As5+、Ge4+、Sn4+、In3+等软酸阳离子掺杂，提升电解质材料的构型熵，降低锂离子的迁移势垒，电解质的离子电导率得到显著提升；通过F-、N3-、O2-、I-等阴离子掺杂取代，提升电解质的（电）化学稳定性；对于界面改性，通过引入添加剂、构筑缓冲层、设计多层电解质等方法，提高了界面兼容性和循环稳定性。通过一系列的材料设计和界面调控手段，全固态电池在较宽温度范围内展示了优异的循环稳定性和倍率性能，为实用化固态电池提供了可靠的策略。
五、锂金属负极与锂硫电池
锂硫电池因其理论能量密度高、储量丰富、成本低、环境友好等优点，已成为最具发展前景的可充电电池之一。然而，锂硫电池的产业化进程受到几个关键问题的阻碍，包括低电导率、体积膨胀大、中间多硫化物溶解严重以及硫正极反应动力学缓慢导致的活性材料利用率低、循环寿命差、倍率性能差和库仑效率低。我们目前合成了一系列先进的电极材料，抑制了正极的多硫穿梭，改善了电极的反应动力学，增加了正极硫电极的负载，抑制了负极金属锂电极和锂枝晶的体积膨胀。
六、金属-气体电池
金属-气体电池以高比能量特性，吸引了广泛的关注。然而，气体正极动力学缓慢、不溶性绝缘放电产物积累、气体穿过电解液与金属负极发生副反应等问题尚未得到解决，阻碍了金属-气体电池的实际应用。为此，我们通过配位环境、晶面工程、协同催化等策略设计制备了气体正极催化剂，达到高活性、高稳定性的效果，获得锂氧气、锂二氧化碳电池体系。通过合金化、构筑表面保护层、引入新负极体系等策略，达到低成本、少枝晶、高可逆性金属负极。此外，为了从根本上避免气体穿梭引起的副反应和起火燃烧等问题，着力开发可应用于气体体系的氧化物、硫化物及聚合物基固态电解质，并通过设计界面层、添加过渡层、构筑快速离子通道等方法调控电极/固态电解质界面，期待获得兼具高比能量和本征安全性的全固态金属-气体电池。
七、锌离子电池
可穿戴电子器件和微电子系统的出现及其在医疗、健康、军事装备上的广泛应用，迫切需要开发与之匹配的高安全、高性能、柔性化微型电池。传统锂电池存在锂资源匮乏、成本高，以及有机电解液存在毒性大、易燃性、离子电导率低等问题，因此发展资源丰富、低成本、高安全水系非锂微型电池（如钠/锌离子）成为重要解决策略之一。课题组长期从事二维材料（石墨烯、V2O5-石墨烯异质结和聚合物-石墨烯异质结）的可控制备、电解液设计、微型能源储存器件（锌离子微型电池、钠离子微型电池）及集成微能源系统的应用基础工作，积累了丰富的研究经验，并取得了一些重要的科研成果：在材料制备方面，以二维模版离子吸附的方式合成了无定形化二维V2O5/石墨烯纳米片，优化干燥方式，进一步获得层状二维V2O5/石墨烯材料，同时基于模板法，发展了二维介孔聚苯胺/石墨烯纳米片结构；在电解液设计上，利用电解液中饱和的V2O5，解决钒基材料在水系电解液中的溶解问题，同时基于NaClO4高的溶解度，实现了高浓盐拓宽水系电压窗口，并开发了其本征低凝固点的策略；在微加工技术的开发上，发展了掩模版辅助抽滤技术、丝网印刷技术、微流控注射技术用于构建平面锌离子储能器件；同时，也开发了材料的多功能性，实现了微型电池—气体传感微集成系统的构筑。
八、钠离子电池
针对大规模储能、低速电动自行车电池等应用场景，资源更丰富、成本更低、安全性更高的钠离子电池被视为一种极具前景的大规模储能技术，有望和锂离子电池互为补充。我们致力于开发高性能电极材料（如聚阴离子型、层状氧化物等正极材料；硬碳、二维材料等负极材料）和先进电解质（液态、准固态电解质）。在电池材料和电解液开发的基础上，进一步构筑了一系列钠离子电池器件，如准固态钠金属电池、微型钠离子电池、Ah级钠离子软包电池等。此外，面向高能量密度的发展需求，未来的研究方向是通过新型负极集流体、高性能正极材料以及先进电解液的协同作用构筑无负极钠金属电池。
