近日，吳興隆教授團隊在先進電池材料領域取得系列研究進展。團隊設計開發了兼顧高性能和高應用性的鈉離子電池材料，完成了相關電極材料的小試開發，有望助力鈉離子電池的產業化進程。研究成果陸續發表在《材料科學進展》（Progress in Materials Science）、《先進材料》（Advanced Materials）、《德國應用化學》（Angewandte Chemie International Edition）、《今日材料》（Materials Today）、《尖端科學》（Advanced Science）和《能源化學》（EnergyChem）等學科頂級學術期刊上。
針對鈉離子電池聚陰離子型正極材料，提出晶格高熵化設計理念，開發了高熵氟磷酸鹽正極材料，實現了工作電壓和能量密度的提升。該高熵氟磷酸鹽不僅抑制了原有低壓區的相變反應，還提升電子電導率、降低遷移能壘，使其表現出優異的循環穩定性和倍率性能。研究提出的高熵策略填補了固定晶格中活性過渡金屬中心電壓不可調的空白，印證了高熵策略對于設計新型正極材料的重要性，為開發下一代先進電極材料提供了新的思路。該成果以“Advanced High-Entropy Fluorophosphate Cathode for Sodium-ion Batteries with Increased Working Voltage and Energy Density”為題，發表于材料類國際頂級期刊Advanced Materials（2022, 34 (14), 2110108），并被遴選為封面文章，入選ESI熱點和高被引論文。論文第一作者為物理學院博士生谷振一。
在聚陰離子型正極材料中構建異質復合結構，發揮各異質組分的協同提升效應，設計了新型Na3V2(PO4)3-Na3Fe2(PO4)(P2O7)異質復合磷酸鹽正極，為利用復合結構工程開發先進聚陰離子型正極材料提供了理論依據。同時，為了改善磷酸鹽正極的導電性，引入項鏈狀雙碳導電網絡，顯著提升了電池的倍率性能和循環穩定性。相關成果分別以“Heterogeneous NASICON-type composite as low-cost, high-performance cathode for sodium-ion batteries”和“ Pearl-Structure-Enhanced NASICON Cathode Towards UltrastableSodium-Ion Batteries”為題，發表于材料類國際著名期刊Advanced Functional Materials（2022, 32(52), 2209482）和Advanced Science（2023, advs.202301308）上。兩篇論文的第一作者分別為物理學院青年教師郭晉芝和化學學院博士生趙欣欣。
為了促進磷酸正極材料在鈉離子全電池中安全、穩定地應用，采用纖維素基隔膜（CP）與碳酸聚丙烯（PPC）浸漬固化的方法制備了纖維素基復合隔膜（CP@PPC）。在PPC的輔助下，CP@PPC隔膜能夠在高達4.95 V的電壓下穩定運行，其“孔道-跳躍”離子遷移機制在提供額外Na+遷移路徑的同時，也促進了Na+的高效遷移。匹配的基于CP@PPC隔膜的全電池表現出良好倍率和優異循環性能，在2C下循環500次后的容量保留率仍達96.97%。在特定應用情景下，該隔膜仍舊能耐受折疊、彎曲和極端溫度等苛刻條件，使高安全性鈉離子電池有望靈活應用于下一代儲能系統。相關成果以“"Pore-Hopping" Ion Transport in Cellulose-Based Separator Towards High-Performance Sodium-Ion Batteries”為題，發表于國際知名期刊Angewandte Chemie International Edition（2023, 62 (15), e202300258）上，并被遴選為VIP和封面文章。論文第一作者為物理學院博士生楊佳霖。
在磷酸鹽正極等先進電池材料領域取得系列研究成果受到了國內外同行的廣泛關注，應邀撰寫了多篇高水平綜述論文。針對鈉離子電池聚陰離子型正極材料開發過程中涉及的先進表征技術，從結構、形貌、組成以及充放電過程中的原位/現場表征技術等方面，詳細討論了每種技術的檢測機理、應用范圍、可獲得的信息和局限性，總結了這些技術在聚陰離子型材料表征中的最新進展，并提出了具體且實用的研究方向。先進表征技術對于理解電極材料的反應機理具有至關重要的作用，可以為設計高性能聚陰離子型正極材料和進一步優化鈉離子電池的電池系統提供重要的指導原則。該成果以“Emerging characterization techniques for delving polyanion-type cathode materials of sodium-ion batteries”為題，發表于材料類國際著名期刊Materials Today（2023, DOI: 10.1016/j.mattod.2023.03.020）。論文的第一作者為青年教師郭晉芝。二維過渡金屬碳（氮）化物MXene作為一類新型二維納米材料，具有優異的物理化學性質而得到了廣泛關注和研究。其與碳材料協同整合而開發的MXene/碳復合材料更是為電化學儲能、光/電催化水分離、電磁波吸附、傳感等領域帶來了更多的應用機會。對MXene/碳復合材料進行全面的總結，包括設計原理、合成路線，以及兩種成分之間的內部關聯性，分析和闡述了MXene基復合材料與多維碳材料的紋理特征和結構-性能關系，指明了MXene與不同維度碳質基體進行雜化的潛在挑戰和研究前景，為MXene基復合材料的應用提供了啟發。相關成果以“Two-dimensional MXene with multidimensional carbonaceous matrix: A platform for general-purpose functional materials”為題，發表于材料學科的國際著名期刊Progress in Materials Science（2023, 135, 101105）。論文第一作者為物理學院青年教師曹峻鳴。水系離子電池具有高安全性和環境友好性的特點，在大規模儲能領域顯示出明顯優勢，是一種具有高功率密度和長壽命的綠色電池技術。與傳統的金屬離子存儲過程相比，質子載體的非常規存儲機制而較少受到關注。但其獨特的工作機制和特性，使得質子電池展現出優異的低溫電化學性能并能兼顧高成本效益，可發揮水系儲存技術的廣闊應用潛能。從電極材料、電解質和集流體的角度，對水系質子電池的發展進行全面的總結，包括相應的設計原理和儲能機制，在闡明水系質子電池發展現狀的同時，指出了亟待解決的問題與挑戰，為下一步研究提供了思路和科學依據。相關成果以“Advanced aqueous proton batteries: working mechanism, key materials, challenges and prospects”為題，發表于能源類新興期刊EnergyChem（Cite Score = 33.4; 2022, 4 (6), 100092）。論文第一作者博士生楊佳霖。
上述工作得到國家自然科學基金重大研究計劃（91963118）和面上項目（52173246）、吉林省中青年科技創新創業卓越人才（團隊）項目（20220508141RC）和相關企業橫向課題的資助。
