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邓昭教授

科学研究

  一、柔性电源材料及其原位表征

    随着可穿戴设备的逐渐流行,发展便携式、可弯曲、可伸展甚至可植入人体的轻薄柔性电子器件最近成为学术界和工业界的共同研究热点。各类可卷绕显示屏、可弯折内存、智能服饰以及植入式医用传感器等器件的原型纷纷问世,正引领一场新的柔性电子技术热潮,势必对人们的社交方式、生活习惯产生类似于智能手机带来的革命性的影响。要让可穿戴设备真正满足人们的日常生活需要,即让这些智能设备即穿戴舒适又具备长时间的续航能力,开发与之相对应的柔性电源系统成为亟待攻克的技术难点之一。目前用于便携式智能设备的能量转化与存储器件主要包括锂离子电池、超级电容器以及光伏电池等。为了让使这些设备即具备机械上的可弯折、可伸展以及疲劳耐受性,又不牺牲其能量转化效率、能量储存密度和可逆循环寿命,人们对构成这些设备的主要功能材料如电极、集流体、电解质以及封装材料做了大量的柔性改造并取得了一些初步的进展。当前,针对柔性电源的开发主要有三个思路。一个是采用可弯折、可伸展的柔性基底如聚合物薄膜、纸张、纺织布等取代传统的微电子工业中采用的硅、玻璃等硬质基底,并在这些柔性基底上打印、生长、涂覆上功能活性材料实现器件的柔性。另外一个思路是制作本身能够实现能量储存和转换的一维结构,然后再将这些一维结构单元纺编成二维甚至三维器件。第三个思路是制作由单个微小能量转换与储存单元组成的二维阵列,阵列中各单元本身不具备柔性,但是通过可伸展弯曲的连接导线或者通过折纸结构来实现整体器件的柔性。然而,当前制作的各种柔性电源原型器件要真正应用于实际仍存在比容量较小、倍率特性不佳以及机械和循环稳定性不够等亟待解决的问题。

    本研究方向针对柔性电源器件的开发,采用新型柔性结构材料,通过共混导电高分子并掺杂无机导电填料以及电化学活性材料,制备得到新型的可弯折、可伸展、可扭曲、强度高、稳定性好、同时电导率和电化学活性可调的柔性电源材料,并将该材料同时用作电源的基底、集流体以及电极,以减少电源的结构界面以及使用和弯折过程中导致的结构和界面应力。同时采用高空间、力学和电化学分辨的综合表征手段,原位关联弹性体复合材料在形变状态下以及在电池反应过程中结构、力学和电化学性能三者之间的关系,从机理上考察新材料对电源的机械特性、充放电效率、倍率特性、循环性能以及自放电行为的贡献和影响,为进一步设计开发具有大容量高功率以及超强柔性的新能源器件提供指导。

二、纳米力学

    纳米力学,作为纳米科学的一个分支,是研究纳米尺度材料、器件与结构的力学。材料在纳米尺度下,由于表面/体积比、表面/质量比显著增大,往往体现出与宏观上不同的机械力学性质。另外,在纳米尺度下研究材料的机械力学行为,有助于揭示这些力学性质的原子、分子以及晶格结构起源,从而为设计新型的功能材料并对其机械力学特性进行调控提供重要指导。为了让柔性电源技术最终得以安全有效地应用到可穿戴设备、植入式医疗器械等实际当中,必须对其机械力学特性以及电化学性能进行优化。而要对这些实用性能优化,就必须从根本上了解和关联电池材料的结构、力学属性和电化学特性三者之间的关系,尤其是在微观上从材料的原子、分子层面探讨结构与性能之间的根本机理。尽管当前已经有一些柔性电源原型器件的问世,并且在提升其能量密度、功率密度和循环特性方面取得了一定进展,但是从根本上研究材料在受外力作用或者内应力变化条件下的原子、分子和晶体结构变化,以及这些变化反过来对材料的力学特征和电化学性能的影响尚且缺乏。因此在电源受力形变条件下,或者在电化学反应过程中对电池材料的结构和性能关系进行原位表征是推动和优化柔性电源技术务必要进行的一项工作。而要原位关联电池材料结构、力学以及电化学性能三者之间的关系,必须对现有的以单一性质为考察对象的表征手段进行多功能改进或多仪器联用,并配合理论计算如有限元建模或者分子动力学模拟等对材料形变和电池反应的机理进行深入考察。

    本研究方向采用高空间分辨率的扫描探针和扫描电镜技术对电池材料在受外力形变、以及因电池反应而导致内应力变化的情况下的结构和界面改变以及电化学响应进行原位表征,全面关联材料的微观结构、纳米力学特征以及电化学性能。首先,我们将电化学测量系统与扫描探针显微镜联用,采用带电化学样品池的原子力显微镜,利用原子力探针即作为荷载手段,又作为测量工具,对受力状态下的低维度电池材料进行有效的结构和电化学表征。其次,我们将在扫描电镜的样品探头上集成纳米压痕模块以及电荷表征模块,用它们来原位获取电池材料形变过程中的高分辨晶格图像以及相应的电位、电阻变化。最后,我们将结合有限元连续介质力学分析以及分子动力学模拟,从机理上考察复合材料的结构对机械力学和电化学性质的影响。以上研究将有助于我们在微观层面上充分了解柔性电池材料的结构与性能关系,并直接对新型柔性电池材料的制备、柔性电源系统的开发提供指导作用。

三、先进表面分析技术

    本研究方向主要采用扫描探针显微镜、共聚焦显微拉曼光谱以及扫描透射电镜,通过开发新的测试方法和分析算法,考察新能源材料在形变和化学反应条件下的表面形貌、界面行为、晶体结构以及材料从表面到体相随时间和空间的结构演变。


科研团队
Rahim, Shah, Ph.D candidate
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