世界著名化学家

世界青年化学家——郭玉国

本文作者 漂泊

郭玉国教授是中国科学院化学研究所研究员,中国科学院大学教授,中国硅酸盐学会固态离子学分会理事。他的主要工作是研究纳米能源材料以及能量转化与储存器件(包括锂离子电池、锂硫电池、燃料电池、超级电容器等)他系统研究了纳米能源材料的热力学、动力学与表界面稳定性问题,同时也研究了纳米体系离子、电子存储与输运过程中的尺寸效应,探索出了调控和解决途径。近年来郭玉国课题组系统开展了锂离子电池和下一代高比能金属锂二次电池关键材料的结构设计、表面包覆、制备与性能研究,研制出多种新型高性能锂离子电池和锂硫电池电极材料,实现了高性能电极材料的规模化生产和应用。目前郭玉国课题组已经在Nature Commun.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Energy Environ. Sci.等著名期刊上发表SCI论文200余篇,h-index为79。

 

经历

  • 1998年在青岛大学获学士学位;
  • 2001年在青岛大学获硕士学位(期间的研究工作在北京大学化学与分子工程学院物理化学研究所完成);
  • 2004年在中国科学院化学研究所获理学博士学位;
  • 2004-2006年在 Max Planck Institute for Solid State Research, Germany从事博士后研究;
  • 2006-2007 年在Max Planck Institute for Solid State Research, Germany作为研究员从事研究;
  • 2007年加入中科院分子纳米结构与纳米技术院重点实验室,任研究员;
  • 2015年任中国科学院大学教授。

 

所获荣誉

  • 2014、2015、2016和2017年汤森路透评选为“高被引科学家”
  • 2017年获“万人计划”科技创新领军人才称号
  • 2014年获国际电化学委员会2014 ISE Tajima奖
  • 2013年获第十三届中国青年科技奖
  • 2013年获亚洲化学学会联合会(Federation of Asian Chemical Societies)杰出青年化学家奖
  • 2013年获IUPAC江教授新材料奖
  • 2012年获国家杰出青年科学基金
  • 2012年获中央组织部“万人计划”首批青年拔尖人才
  • 2012年获中国材料研究学会科学技术奖二等奖(排名第一
  • 2012年获美国国家地理新兴探索者(The National Geographic Emerging Explorers)
  • 2011年获美国麻省理工学院《Technology Review》“全球杰出青年创新家TR35”
  • 2011年获中国科学院在北京科技成果转化奖二等奖(排名第一)
  • 2011年获中国电化学会青年奖
  • 2009年获首届“SCOPUS寻找未来科学之星”纳米科学领域金奖
  • 2008年获中国化学会青年化学奖
  • 2006年获全国百篇优秀博士论文提名
  • 2005年获中国科学院优秀博士论文

 

主要研究工作及学术成就

  1.  锂硫电池

郭玉国教授课题组在锂硫电池领域做出了许多杰出的成果,他提出通过构筑链状小硫分子(S2-4)以及构建纳米孔道,利用空间限域效应实现非常规、亚稳态小硫分子的筛选,并稳定小硫分子,从根本上解决穿梭效应。

郭玉国课题组合成了具有特定孔尺寸(0.5 nm)的微孔碳基底,然后再负载硫。由于纳米孔道空间的限制,在引入硫的过程中即可实现从S8分子到小硫分子的转化,制备出非常规小硫分子/碳复合正极材料。这种基于纳米孔限域效应的非常规硫分子/碳复合正极材料在锂-硫电池中表现出很高的比容量、优异的循环稳定性及高倍率性能。

此外,他也将一维的链状硫分子限制在碳纳米管中,利用碳纳米管限域,使硫链在反应中缩短,电化学性能自发优化,而且反应接近于固相反应,从而有效避免了穿梭效应。通过这一方案,既提高了硫的装载量,又有效限制了多硫化物的溶出,实现了可放大制备的硫正极材料技术解决方案。[1-2]

 

2.  锂离子电池

郭玉国教授课题组在锂离子电池领域也做了许多研究工作:他设计了“纳米电缆”负极结构:制备了结构形貌可控的CNT@TiO2纳米电缆,并发现了“协同储锂效应”。一方面,CNT核为Li在TiO2鞘壳中的存储提供了电子通道;另一方面,由于在CNT上包覆的介孔TiO2层具有相对稳定的表界面,因此可以减少SEI膜的生成,从而为Li在CNT中的存储提供了快速离子传输通道,CNT本身的循环性能也因此而大大提高。他也设计并构建了表界面稳定的同轴“纳米电缆”高容量Si基负极材料。成功实现了直接在铜集流体上生长Cu@Si@Al2O3复合结构纳米电缆阵列。铜纳米线内核可以提供快速的电子传输并起到有效的结构支撑作用,Al2O3包覆层具有相对稳定的表/界面,可以减少SEI膜的生成。当该复合“纳米电缆”作为锂离子电池负极材料时,表现出优异的循环稳定性和较高的储锂容量。[3-4]

 

3.  锂负极枝晶问题

郭玉国教授在抑制锂枝晶生长方面也做了很多研究。他提出利用三维纳米铜集流体来引导金属锂在三维电极内部的均匀沉积与溶解,成功实现了对负极表面金属锂枝晶的控制。通过采用具有亚微米骨架、高比表面积的三维铜箔,锂负极主要沉积在三维铜箔的孔道内(> 98%),电极表面锂枝晶的生长得到了有效抑制。相比于平整铜集流体上的锂负极,限制在三维纳米铜集流体中的金属锂负极可连续工作好几百小时以上而不短路,锂的沉积效率大幅提高;电池的寿命、稳定性和安全性也得到了显著提升。

他也采用具有电化学活性的石墨化碳纤维作为多功能三维集流体,得到面容量高8 mA h cm-2且无枝晶的金属锂负极。由于石墨化碳纤维能降低局部电流密度并缓解体积变化,该负极在循环过程中表现出高库仑效率、低电压极化和长循环寿命。

除了在电极上进行改进,郭玉国课题组还设计并构筑了一类双功能互穿网络结构聚(醚-丙烯酸酯)固体电解质,该固体电解质集高机械强度(约12 GPa)和高室温离子电导(0.22 mS cm−1)于一体,使锂的沉积和析出均衡进行。由于具有降低界面电阻和加速锂离子传输的双重作用,该固体电解质能有效地抑制了锂枝晶生长。[5-6]

代表性论文

[1]Yang C P, Yin Y X, Guo Y G, et al. Electrochemical (de) lithiation of 1D sulfur chains in Li–S batteries: a model system study[J]. Journal of the American Chemical Society, 2015, 137(6): 2215-2218.

[2]Yin Y X, Xin S, Guo Y G, et al. Lithium–sulfur batteries: electrochemistry, materials, and prospects[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2013, 52(50): 13186-13200.

[3]Guo Y G, Hu J S, Wan L J. Nanostructured materials for electrochemical energy conversion and storage devices[J]. Advanced Materials, 2008, 20(15): 2878-2887.

[4]Ji H X, Wu X L, Fan L Z, et al. Self‐Wound Composite Nanomembranes as Electrode Materials for Lithium Ion Batteries[J]. Advanced Materials, 2010, 22(41): 4591-4595.

[5]Yang C P, Yin Y X, Zhang S F, et al. Accommodating lithium into 3D current collectors with a submicron skeleton towards long-life lithium metal anodes[J]. Nature communications, 2015, 6: 8058.

[6] Li N W, Yin Y X, Yang C P, et al. An artificial solid electrolyte interphase layer for stable lithium metal anodes[J]. Advanced materials, 2016, 28(9): 1853-1858.

 

参考文献

  1.   郭玉国课题组

 

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