黄云辉,华中科技大学教授、博导,校学术委员会副主任,国家杰出青年科学基金获得者,国务院政府特殊津贴获得者。分别于1988、1991和2000年在北京大学获得学士、硕士和博士学位,师从高小霞先生和徐光宪先生从事电分析化学和稀土无机化学研究;2002年任复旦大学副教授,期间在日本东京工业大学作为JSPS研究员开展磁电阻功能材料方面的合作研究,2004-2007年在美国得州大学奥斯汀分校师从John B. Goodenough教授(2019年诺贝尔化学奖得主)从事锂离子电池和固态氧化物燃料电池研究。
2008年回国到华中科技大学工作,创建了动力与储能电池实验室,2010-2017年任材料科学与工程学院院长和学术委员会主任。主要研究领域包括锂离子动力与储能电池、下一代锂硫和锂-空气电池、钠离子电池、固体氧化物燃料电池,在Science、Chem. Soc. Rev.、Joule、Energy Environ. Sci.、Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Nat. Commun.等学术期刊上,发表学术论文累计500余篇,其中ESI高被引论文70篇、热点论文12篇,2篇论文入选年度“中国百篇最具影响力的国际论文”,引用4.1万余次,2018-2021年入选科睿唯安材料领域全球高被引科学家和爱思唯尔中国高被引学者,授权或公开专利70余件。锂离子电池正极材料、快充技术、电池健康状态超声检测技术等成果已实现应用。2012年获中国侨界贡献奖(创新人才),2015年获教育部自然科学一等奖、2016年获国家自然科学二等奖,2020年获湖北省自然科学一等奖。
个人主页:
http://faculty.hust.edu.cn/huangyunhui/zh_CN/index/1415858/list/index.htm
2023年1月13日,华中科技大学黄云辉教授及其合作者同天上线三篇电池顶刊成果,下面小编做了简单的汇总,以供参考!
AM:用于水系锌金属电池的新型锌盐
具有低成本和卓越的安全性的水系锌离子电池(ZIBs)是最有前景的储能解决方案,但其受到与电解液密切相关的化学和电化学降解的影响。
图1. 设计的Zn(BBI)2盐及其电解液的结构和性能
华中科技大学黄云辉教授、伽龙教授、麻省理工学院李巨教授等报告了一种新的锌盐设计和一种用于长循环寿命的水系锌离子电池的电解液方案。具有合理设计的阴离子基团N-(苯磺酰基)苯磺酰胺(BBI-)的Zn(BBI)2盐有特殊的两亲分子结构,它结合了亲水基团和疏水基团的优点,可以适当调整溶解度和界面条件。
此外,这种新型锌盐不含氟,可通过一种高产和低成本的方法合成。研究显示,1M的Zn(BBI)2水系电解液具有更宽的阴极稳定性窗口,并有效稳定了锌金属/H2O界面,减轻了化学和电化学降解,结果使采用锌金属电极的对称和全电池成为可能。
图2. Zn||Cu和Zn||Zn电池的性能
电化学性能测试显示,在没有任何添加剂或复杂电极修饰的条件下,Zn||Zn对称电池在2 mA cm−2时循环寿命>2800小时,在20 mA cm−2时循环寿命>700小时。当在全电池中与聚苯胺(PANI)正极配对时,所设计电解液能够在5 A g−1的高电流密度下实现超过2000次循环的长寿命,这与采用1M ZnSO4、1M Zn(TFSI)2,和1M Zn(OTf)2电解液的对照电池相比,具有优异的库伦效率和能效。总体而言,这项工作工作强调了锌盐中阴离子基团设计对于持久、安全、经济高效ZIBs的关键作用,并为其他水系电化学器件的开发提供了启示。
图3. Zn||PANI全电池的电化学性能
A New Zinc Salt Chemistry for Aqueous Zinc-Metal Batteries. Advanced Materials 2023. DOI: 10.1002/adma.202210055
EnSM:一种用于超长寿命可充锌离子电池的水系电解液共溶剂
严重的锌枝晶和游离H2O的高活性引起的析氢反应(HER)阻碍了水系锌离子电池(AZIBs)的商业化进程,调节Zn2+的溶剂化结构是解决上述问题的一个直接方法。
图1. 电解液设计
华中科技大学黄云辉教授等设计了一种极性溶剂−四甲基脲(TMU)作为水系电解液中的共溶剂,它可以通过-C=O基团与Zn2+和H2O形成强烈的相互作用,重塑Zn2+的溶剂化结构,并中断H2O的内在氢键(H-bonds)。此外,-N(CH3)2的空间排斥效应阻止了H2O进入初级溶剂化结构。结果,这种协同效应降低了H2O的活性,从而抑制了Zn的枝晶和HER。
图2. 锌负极的循环性能
因此,在电流密度为10 mA cm-2的情况下,采用TMU基电解液的Zn||Cu电池可以稳定地运行6000次以上,库伦效率为99.8%,Zn||Zn电池的累积容量达到5 Ah cm-2,超过了大多数涉及共溶剂的研究工作。此外,在N/P比为4的情况下,Zn||NH4V4O10电池可以运行300次,容量保持率为68%,比不使用TMU的电池(3.9%)好得多。总之,这项工作表明,在分子水平上合理设计电解液成分对于稳定锌负极和实现高性能AZIBs至关重要。
图3. Zn||NH4V4O10全电池的性能
A co-solvent in aqueous electrolyte towards ultralong-life rechargeable zinc-ion batteries. Energy Storage Materials 2023. DOI: 10.1016/j.ensm.2023.01.020
EnSM:基于二维锂离子导体的聚合物电解质助力全固态锂金属电池
固态聚合物电解质(SPEs)的发展由于在不稳定的SPE-Li界面上存在严重的锂枝晶生长而受到阻碍。
图1. 材料制备及表征
华中科技大学黄云辉教授、许恒辉研究员等证明屏蔽策略显著提高了聚环氧乙烷(PEO)电解质对锂金属的界面稳定性,其中二维锂离子导体Li0.46Mn0.77PS3(LiMPS)纳米片被用作纳米尺寸的屏蔽物,以保护PEO免受矛状锂枝晶的伤害。除了物理抑制外,LiMPS由于它的二维性质、卓越的Li+导电性(30℃时为2.1×10-4 S cm-1)和对Li+的强烈吸附,还能使Li+的通量均匀化。这一策略还使PEO-LiMPS电解质在45℃时表现出2.6×10-4 S cm-1的卓越离子传导性,与裸PEO电解质相比,增加了近10倍。
图2. 半电池性能和理论计算
此外,PEO-LiMPS电解质的电化学稳定性窗口(ESW)扩大到4.8V(原始PEO为3.8V)。因此,对称的Li/PEO-LiMPS/Li电池提供了超过600小时的无短路循环,LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2/PEO-LiMPS/Li电池在0.2C下循环200次后也呈现出超过80%的高容量保持率。此外,LFP/PEO-LiMPS/Li软包电池在0.2C下循环230次后保持了93%的初始容量。综上所述,这种二维锂离子导电屏蔽策略为固态锂金属电池(SSLMBs)中的SPE提供了一种独特的保护机制。
图3. 全电池性能
Polymer electrolytes shielded by 2D Li0.46Mn0.77PS3 Li+-conductors for all-solid-state lithium-metal batteries. Energy Storage Materials 2023. DOI: 10.1016/j.ensm.2023.01.011