中科院在全固態(tài)電池正極材料的失效機制研究方面取得進展

發(fā)布日期:2024-06-27  來源:愛集微

核心提示:1.中國科學院金屬研究所團隊在全固態(tài)電池正極材料的失效機制研究方面取得進展2.廣東省光電芯片系統(tǒng)重點實驗室團隊在面向WiFi路由
1.中國科學院金屬研究所團隊在全固態(tài)電池正極材料的失效機制研究方面取得進展

2.廣東省光電芯片系統(tǒng)重點實驗室團隊在面向WiFi路由器的新型極化分集玻璃天線研究方面取得突破

3.東南大學顧忠澤教授課題組導電聚合物光聚合與3D打印技術最新研究成果

4.南京大學祝世寧院士榮獲陳嘉庚科學獎

5.成電集成電路學院張波教授團隊牽頭獲得2023年度國家科技進步二等獎

6.復旦大學團隊在鉿基鐵電器件的可靠性研究方面取得重要進展



1.中國科學院金屬研究所團隊在全固態(tài)電池正極材料的失效機制研究方面取得進展

全固態(tài)鋰電池具備高安全性和高能量密度的特點,有望成為超越傳統(tǒng)液態(tài)鋰離子電池的下一代電池技術。而電極材料(包括正極和負極)與固態(tài)電解質(zhì)的界面不穩(wěn)定性阻礙了固態(tài)電池的發(fā)展。因此,探討正極/固態(tài)電解質(zhì)界面不穩(wěn)定性誘發(fā)的電池材料失效機制,對于優(yōu)化設計全固態(tài)電池材料具有重要意義。

近日,中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心材料結構與缺陷研究部研究員王春陽,聯(lián)合美國加利福尼亞大學爾灣分校教授忻獲麟團隊,基于前期關于液態(tài)鋰電正極材料失效機制的研究成果,在全固態(tài)電池正極材料的失效機制研究方面取得進展。該團隊利用人工智能輔助的透射電鏡技術揭示了全固態(tài)鋰電層狀氧化物正極材料的原子尺度結構退化機制,并發(fā)現(xiàn)其與傳統(tǒng)液態(tài)電池中的退化機制具有顯著差別。

研究表明,全固態(tài)電池的晶格失氧和局部應力耦合驅(qū)動的表面“晶格碎化”以及脫鋰誘發(fā)的剪切相變共同導致層狀氧化物的結構性能退化。表面“晶格碎化”涉及納米級多晶巖鹽相的形成。這一失效模式在層狀氧化物正極材料中被發(fā)現(xiàn)。此外,該研究還發(fā)現(xiàn)了區(qū)別于傳統(tǒng)鋰離子電池中層狀正極的剪切界面新構型和大尺寸O1相的形成。

上述成果拓展了層狀氧化物正極的相變退化理論,有望為全固態(tài)電池的正極材料和正極/電解質(zhì)界面優(yōu)化設計提供理論指導。

相關研究成果以Atomic Origin of Chemomechanical Failure of Layered Cathodes in All-Solid-State Batteries為題發(fā)表在《美國化學會志》(JACS)上。


2.廣東省光電芯片系統(tǒng)重點實驗室團隊在面向WiFi路由器的新型極化分集玻璃天線研究方面取得突破

前言:

廣東省光電信息處理芯片與系統(tǒng)重點實驗室的梁國華教授和胡鵬飛副教授深入研究面向WiFi路由器的新型極化分集玻璃天線,并在IEEE消費電子旗艦期刊IEEE Transactions on Consumer Electronics (TCE)上發(fā)表其最新研究成果。該項工作受到主編Kim Fung Tsang教授特別邀請,為特邀文章(Invited Paper)。

01

研究背景

在當今信息爆炸的時代,WiFi已成為日常生活中不可或缺的一部分。然而,隨著用戶需求的不斷增長和智能設備的普及,傳統(tǒng)WiFi路由器在信號覆蓋、速度和穩(wěn)定性方面仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn)。為了應對這些問題,科研團隊從路由器天線方面進行探索,在TCE期刊上發(fā)表了一篇題為“Polarization Diversity Glass Antenna for Consumer WiFi Routers”的論文。

02

成果展示

該論文提出一種新型平面饋電網(wǎng)絡,只需要單層PCB即可實現(xiàn)全向極化分集天線的高效饋電,解決了傳統(tǒng)設計中至少兩層饋電網(wǎng)絡導致的高損耗問題。

為了驗證其性能,將該玻璃天線與傳統(tǒng)路由器連接,并測試其吞吐量,并和商用偶極子天線的路由器進行對比。在室內(nèi)環(huán)境多場景下,采用分集玻璃天線的路由器的吞吐量均表現(xiàn)更優(yōu)。

該技術的主要優(yōu)勢包括:

①穩(wěn)定性提升:極化分集傳輸能夠減少由于多徑效應和干擾引起的信號衰減和丟失,從而保證了更穩(wěn)定的網(wǎng)絡連接。

②美觀與實用兼?zhèn)洌翰A炀€不僅具備優(yōu)越的性能,還能與現(xiàn)代家居環(huán)境完美融合,既美觀又不占用額外空間。



3.東南大學顧忠澤教授課題組導電聚合物光聚合與3D打印技術最新研究成果

【東大新聞網(wǎng)6月25日電】(通訊員 吳雪婷)近日,東南大學生物科學與醫(yī)學工程學院顧忠澤教授與南京大學化學與化工學院謝勁教授、韓杰副研究員團隊合作,在亞微米精度導電聚合物三維復雜結構的3D打印方面取得重要進展。相關成果以《導電聚合物的光聚合與3D打印》(Photoinduced double hydrogen atom transfer for polymerization and 3D printing of conductive polymer)為題在國際頂級期刊Nature Synthesis上在線發(fā)表。

近年來,科技的迅猛發(fā)展推動了生物電子設備在微型化、集成化和三維化方面的顯著進步,為生物醫(yī)學工程和先進材料科學帶來了廣闊的應用前景。導電聚合物憑借其獨特的離子與電子導電性,在柔性電子、生物傳感、可植入醫(yī)療器械等多個領域得到了廣泛應用,尤其在器官芯片(Organ-on-a-Chip)技術中展現(xiàn)出巨大的潛力。器官芯片通過微流控和微型化設計,模擬了人體器官的物理和生理特性,為藥物篩選和疾病研究提供了高度仿真的體外實驗平臺。為了在器官芯片中精確模擬和監(jiān)測生理電信號傳導,亟需構建高精度的三維導電聚合物網(wǎng)絡。然而,傳統(tǒng)的二維制造技術在精度和復雜結構的構建上存在顯著局限,無法滿足這一需求。目前的三維制造方法,如擠出式打印和光基打印,在構建導電聚合物網(wǎng)絡時均面臨諸多挑戰(zhàn)。擠出式打印受限于噴嘴尺寸和自下而上的材料堆積過程,打印分辨率通常低于10微米,難以實現(xiàn)高精度的三維導電結構。盡管光基打印技術在精度上具備優(yōu)勢,但導電聚合物在可見光和近紅外波段的強光吸收特性,限制了激發(fā)光的穿透和光敏劑的活化,從而妨礙了Z方向上的增材制造能力。因此,開發(fā)新型三維打印方法以克服這些挑戰(zhàn),對于提升器官芯片在生物電信號傳導和復雜生理功能模擬中的潛力至關重要。



為了突破這些技術瓶頸,顧忠澤教授團隊與謝勁教授、韓杰副研究員團隊提出了一種基于時空可控光誘導氫原子轉(zhuǎn)移(HAT)反應的導電聚合物光聚合方法。他們開發(fā)了一種高效的HAT催化劑BPED,通過光引發(fā)雙重HAT反應,實現(xiàn)了導電聚合物的快速光聚合。以PEDOT:PSS為例,標準反應體系使用3,4-乙烯二氧噻吩為單體,聚苯乙烯磺酸鈉為對陰離子,Irgacure 2959為光引發(fā)劑,對甲苯磺酸(TsOH)為摻雜劑。在空氣中,15分鐘內(nèi)可完成聚合反應。由于Irgacure 2959和BPED都具備優(yōu)異的雙光子吸收性能,該反應促成了PEDOT:PSS結構的雙光子打印。在固化的水凝膠中,該方法能夠打印三維PEDOT:PSS導電通路。更進一步,該技術可以同時引發(fā)了水凝膠前體的自由基聚合交聯(lián)和EDOT的聚合反應,從而構建出亞微米分辨率且可編程的三維導電微納結構。該創(chuàng)新性的光聚合方法有效解決了3D打印中導電聚合物的兼容性和光吸收問題。

東南大學至善博士后周鑫、南京大學化學與化工學院方尚文博士和東南大學至善博士后胡楊楠為共同第一作者。韓杰副研究員、謝勁教授和顧忠澤教授為通訊作者。該論文得到了國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金等項目的資助。

4.南京大學祝世寧院士榮獲陳嘉庚科學獎

6月25日下午,2024年度陳嘉庚科學獎和陳嘉庚青年科學獎頒獎儀式在中國科學院第二十一次院士大會上舉行。南京大學祝世寧院士與南京大學校友國防科技大學徐平研究員(完成獲獎項目時在南京大學任職)的“鈮酸鋰光子芯片”項目獲得本年度陳嘉庚科學獎“技術科學獎”。該項目在單個鈮酸鋰晶片上集成了糾纏光源、電光調(diào)制器、波導分束等多種功能器件,實現(xiàn)了片上光量子態(tài)的高效產(chǎn)生和高速操控。



祝世寧簡介

祝世寧,1949年生,南京大學教授、中國科學院院士;現(xiàn)任南京大學學術委員會副主任、毓琇書院院長;擔任《國家科學評論(NSR)》編委會數(shù)理組組長、《中國科學》等刊物編委、《人工晶體學報》主編;曾任南京大學物理學院院長、物理系主任、現(xiàn)代工學院籌建組組長,教育部科技委常委、材料學部主任,國家納米科學技術指導協(xié)調(diào)委員會委員、總體專家組成員,國家重點基礎研究發(fā)展(973)計劃顧問組成員等。

主要從事微結構功能材料和物理研究 , 研究興趣包括:微結構對經(jīng)典光、非經(jīng)典光場調(diào)控基礎理論,發(fā)展新的實驗和表征技術,開拓微結構在材料和信息領域的實際應用。在鐵電晶體疇工程及室溫極化技術、光學超晶格及激光技術、準相位匹配非線性光學、量子光學和光學超構材料等方面工作較為系統(tǒng)。作為主要完成人曾獲國家自然科學一等獎(2006),國家級教學成果獎二等獎(2018)。個人榮譽有: “求是”杰出青年學者(1998)、美國光學學會會士(2013)、美國物理學會會士(2017)及首屆江蘇省基礎研究重大貢獻獎(2019)等。

獲獎項目介紹

鈮酸鋰晶體具有寬透光范圍和高電光、聲光、熱光和非線性系數(shù),且化學性能穩(wěn)定,傳輸損耗低,是理想的光子學材料,在當代信息光電子和激光領域有著重要應用,被稱為“光學硅”。

項目完成人所在團隊曾利用準相位匹配原理,通過對鈮酸鋰晶體中微結構鐵電疇的調(diào)控,研制出光學超晶格并成功應用于全固態(tài)激光器、電光調(diào)制器、高頻濾波器等新型光電子器件,推動了相關技術發(fā)展。本項目則是將準相位匹配原理進一步拓展到量子光學與量子信息技術領域,發(fā)展了利用微結構對光量子態(tài)相干調(diào)控系統(tǒng)理論,研制出多種用于光量子態(tài)產(chǎn)生和調(diào)控的鈮酸鋰光學超晶格,可用于光量子信息多個技術領域。從2010年起,項目完成人又瞄準了鈮酸鋰光量子集成芯片研究目標,將疇工程與現(xiàn)代光子集成技術相結合,于2014年首次將糾纏光子產(chǎn)生、電光調(diào)制、光子干涉、波分復用等不同功能單元集成到了同一鈮酸鋰波導芯片上,完成了芯片上量子態(tài)的可控操作,多項關鍵指標包括光子產(chǎn)率、調(diào)諧速率、調(diào)諧帶寬等均創(chuàng)下當時國際最好水平。該工作展示了鈮酸鋰芯片用于可編程大規(guī)模光子集成的可行性,同時也推進了小型化、芯片化光量子器件研制和設備開發(fā),開辟了一條有別于硅基的光量子芯片技術路線。



“陳嘉庚科學獎”簡介

“陳嘉庚科學獎”是以著名愛國華僑領袖陳嘉庚先生的名字命名的科學獎勵,其前身是1988年設立的陳嘉庚獎。2003年,經(jīng)國務院同意,中國科學院和中國銀行共同出資成立陳嘉庚科學獎基金會,設立陳嘉庚科學獎,旨在獎勵近期在中國做出的重大原創(chuàng)性科學技術成果。陳嘉庚青年科學獎于2010年設立,旨在獎勵在中國獨立做出重要原創(chuàng)性科學技術成果的青年科技人才。

陳嘉庚科學獎和陳嘉庚青年科學獎均設立六個獎項,分別是數(shù)理科學獎、化學科學獎、生命科學獎、地球科學獎、信息技術科學獎和技術科學獎。陳嘉庚科學獎每個獎項每次評選不超過1項的獲獎項目,獲獎人數(shù)一般為1人,最多不超過3人。若無符合標準的獲獎項目,可以空缺。2024年度共有5個科技成果獲“陳嘉庚科學獎”,10位青年科技工作者獲“陳嘉庚青年科學獎”。

5.成電集成電路學院張波教授團隊牽頭獲得2023年度國家科技進步二等獎

6月24日上午,全國科技大會、國家科學技術獎勵大會、兩院院士大會在北京召開。習近平等黨和國家領導人出席大會并為獲獎代表頒獎。

我院功率集成技術實驗室張波教授團隊牽頭完成的“功率MOS與高壓集成芯片關鍵技術及應用”項目獲得國家科技進步二等獎。

研究介紹

該獲獎項目在國家重大重點項目的支持下,建立了功率MOS器件電荷平衡新理論,突破了功率高壓MOS集成耐壓瓶頸,通過產(chǎn)學研合作,創(chuàng)建了三類具有國際先進水平的功率半導體制造量產(chǎn)工藝平臺,為全球200余家企業(yè)提供了芯片制造服務,提升了我國功率高端芯片國際競爭力,推動了中國功率半導體行業(yè)進步。



團隊介紹

功率集成技術實驗室由張波教授擔任學術帶頭人和團隊負責人,為“四川省功率半導體技術工程研究中心”,是“電子薄膜與集成器件全國重點實驗室”和“電子科技大學集成電路研究中心”的重要組成部分?,F(xiàn)有18名教授/研究員、9名副教授/副研究員, 285名在讀全日制碩士研究生和65名博士研究生,被國際同行譽為“全球功率半導體技術領域最大的學術研究團隊”和 “功率半導體領域研究最為全面的學術團隊”,曾8次斬獲IEEE ISPSD發(fā)表論文數(shù)全球第一。



獎項介紹

2023年度國家科學技術獎是自2020年度國家科學技術獎之后的首次頒獎,共評選出國家自然科學獎49項,國家技術發(fā)明獎62項,國家科學技術進步獎139項,中華人民共和國國際科學技術合作獎10人。

6.復旦大學團隊在鉿基鐵電器件的可靠性研究方面取得重要進展

近日,2024年超大規(guī)模集成電路國際研討會(IEEE Symposium on VLSI Technology and Circuits)在美國召開。復旦大學芯片與系統(tǒng)前沿技術研究院的劉明院士團隊在會上展示了鉿基鐵電器件可靠性方面的最新研究進展。

基于Hf?Zr???O?材料的鐵電存儲器(FeRAM)由于其高速、良好的可微縮性和CMOS工藝兼容性,受到了廣泛關注。然而,器件的可靠性是影響其大規(guī)模應用的關鍵問題之一。在程序代碼存儲以及人工智能網(wǎng)絡(AI)推理等以讀操作為主的應用中,鐵電電容既不會像在傳統(tǒng)耐久性測試中一樣被頻繁擦寫,也不會像在傳統(tǒng)保持性測試中一樣長時間維持在同一極化狀態(tài)。因此,器件在這些應用場景下的可靠性失效規(guī)律及背后的物理機制值得深入的研究。

針對上述問題,團隊首先提出了一種包含不同脈沖占空比的耐久性(duty cycling)測試方法。研究發(fā)現(xiàn),在電學測試過程中,隨著占空比的減小,極化強度(Psw)損失和翻轉(zhuǎn)電壓(Vc)偏移程度加劇,最終使得器件更快失效。在此基礎上,研究人員建立了包含氧空位缺陷動力學和Preisach極化翻轉(zhuǎn)機制的鐵電器件三維物理模型,揭示了duty cycling背后由電場及濃度驅(qū)動下氧空位重新分布主導的失效機制。最后,團隊針對性地提出了利用超晶格結構以及Hf:Zr比例調(diào)控,抑制電學刺激下的氧缺陷生成,成功緩解了上述失效行為,并實現(xiàn)了在128Kb鉿基FeRAM芯片上的驗證,推動了鉿基鐵電存儲技術的更廣泛應用。

該研究成果以題為“Comprehensive Analysis of Duty-cycle Induced Degradations in Hf?Zr???O?-based Ferroelectric Capacitors: Behavior, Modeling, and Optimization”入選2024 VLSI。芯片院博士生馮冠和博士后李昱為共同第一作者,芯片院蔣昊青年研究員、魏瑩芬青年研究員和劉琦教授為通訊作者。

 
 
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