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基于三维集流体的无枝晶锂金属负极

纳米铜修饰三维锌网电极的制备及锌离子电池负极的电化学性能

高等学校化学学报 2021年第5期42卷 1480-1500页

作者：李曈谷思辰林乔伟韩俊伟周光敏李宝华康飞宇吕伟清华大学深圳国际研究生院清华大学深圳国际研究生院清华?伯克利深圳学院深圳518055

随着电化学储能市场的迅猛发展,当前商用锂离子电池难以满足人们对高能量密度储能器件的需求.锂金属具有高比容量和低氧化还原电位等优点,被认为是下一代二次电池的理想负极材料.然而,锂金属负极在充放电过程中会出现体积变化大、枝晶... 详细信息

随着电化学储能市场的迅猛发展,当前商用锂离子电池难以满足人们对高能量密度储能器件的需求.锂金属具有高比容量和低氧化还原电位等优点,被认为是下一代二次电池的理想负极材料.然而,锂金属负极在充放电过程中会出现体积变化大、枝晶生长、界面不稳定等问题,严重阻碍了其在二次电池中的实际应用.三维多孔材料具有骨架/空间互穿网络结构、比表面积大、孔隙发达和机械性能好等物理特性,用作金属锂负极的集流体,在锂沉积/溶解过程中可以起到降低局部有效电流密度、均匀电场分布和降低锂离子浓度梯度的作用,有望实现锂的均匀成核和无枝晶沉积,同时抑制了电极的体积膨胀.尽管有关三维集流体的研究报道不断出现,但综合系统评价现有各种三维集流体体系的工作鲜见报道.本文聚焦锂金属负极三维集流体的构建及应用研究进展,首先分析了三维集流体抑制锂枝晶生长的基本原理及局限性,继而重点关注了三维集流体的结构调控、表面改性和功能化等应对策略对锂成核、沉积过程的影响,并对不同材质三维集流体的优缺点进行了归纳总结.最后,面向实用化,分析并展望了三维集流体应用于锂金属电池的发展前景.

关键词：二次电池锂金属负极三维集流体锂枝晶均匀沉积

来源：评论

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高等学校化学学报 2022年第10期43卷 166-172页

作者：姜宝正黄文婷刘文宝郭荣胜徐成俊康飞宇清华-伯克利深圳学院清华大学深圳国际研究生院深圳518055

设计构建了纳米铜修饰的三维锌网电极(Nano Cu@3D ZnMesh,简称3D Cu-Zn电极),并将其作为锌沉积的宿主材料用作锌离子电池的负极,获得了稳定的、具有长循环寿命的锌负极材料.3D Cu-Zn电极的三维(3D)锌网骨架和表面均匀分布的3D树枝状纳... 详细信息

设计构建了纳米铜修饰的三维锌网电极(Nano Cu@3D ZnMesh,简称3D Cu-Zn电极),并将其作为锌沉积的宿主材料用作锌离子电池的负极,获得了稳定的、具有长循环寿命的锌负极材料.3D Cu-Zn电极的三维(3D)锌网骨架和表面均匀分布的3D树枝状纳米铜可以降低局部电流密度,并为锌的沉积提供结构支撑和容纳空间.锌网表面具有的较强锌结合能力的铜和后续原位形成的铜锌合金,可以有效降低锌形核的过电势,并作为均匀分布的形核位点引导锌的均匀成核和沉积.这种3D Cu-Zn电极宿主材料表现出较低的形核过电势和界面阻抗,并在对称电池中表现出优异的循环稳定性,在0.5 mA/cm^(2)的电流密度下可以稳定循环超过1100 h.3D Cu-Zn电极与MnO_(2)组装的全电池表现出更小的极化、良好的倍率性能和循环性能.

关键词：锌离子电池锌金属负极三维集流体亲锌位点铜锌合金

揭示金属锂负极电化学行为的影响因素:电子转移和锂离子输运

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新型炭材料（中英文） 2023年第4期38卷 776-786页

作者：张梦天曲浩天周光敏清华大学清华-伯克利深圳学院&清华深圳国际研究生院广东深圳518055

锂金属负极被认为是下一代储能电池中最有应用前景的负极材料。然而,严重的且无法避免的锂枝晶生长和潜在的安全隐患阻碍了其实际应用的发展。结构化碳基集流体负极结构能改善锂离子的输运,还能减缓电子转移的速度,同时已被证明能有效... 详细信息

锂金属负极被认为是下一代储能电池中最有应用前景的负极材料。然而,严重的且无法避免的锂枝晶生长和潜在的安全隐患阻碍了其实际应用的发展。结构化碳基集流体负极结构能改善锂离子的输运,还能减缓电子转移的速度,同时已被证明能有效地抑制锂枝晶生长,但仍需更深入地理解基本的电化学原理来研究电荷转移和离子输运的协同作用。本文模拟并量化了控制锂离子电化学行为的两个关键过程,即电子转移和锂离子输运因素。通过有限元法可视化了三维电池模型(锂//电解液//锂)中的局部沉积速率,过电位以及锂离子浓度,揭示了锂离子输运速度和电子转移之间的竞争关系。当电子转移相对较慢时,负极表面附近有足够的锂离子可以发生反应,锂负极的沉积行为则由电子转移控制。然而,在锂离子的输运速率低于电子转移速率的情况下,负极表面的锂离子将会持续消耗,出现锂离子耗尽的情况,锂离子输运将主导锂负极的沉积过程,最终导致锂枝晶形貌。因此,在快充条件下和实际应用中,降低锂负极的反应活性和加速锂离子输运是获得锂金属负极均匀沉积形貌的关键。

关键词：金属锂负极有限元法电子转移锂离子输运

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基于三电极的低温环境正流注传播特性

高电压技术 2020年第5期46卷 1586-1593页

作者：王黎明唐文晰怡勇梅红伟邬登金邵天颖清华大学深圳研究生院深圳518055 清华–伯克利深圳学院深圳518055

低温将给电气绝缘带来考验,而当前针对极寒条件下的气体放电特别是流注放电的研究仍比较少。通过搭建低温环境流注试验平台以及干燥空气系统,在平板结构三电极基础上新增棒板结构三电极,并利用光电倍增管和ICCD光学检测设备对正流注传... 详细信息

低温将给电气绝缘带来考验,而当前针对极寒条件下的气体放电特别是流注放电的研究仍比较少。通过搭建低温环境流注试验平台以及干燥空气系统,在平板结构三电极基础上新增棒板结构三电极,并利用光电倍增管和ICCD光学检测设备对正流注传播特性进行研究,得到了传播速度、发光强度等物理量的低温特性。试验结果表明:低温对流注放电具有抑制效应;流注起始场强(电压)随温度呈指数变化;传播速度随电压增大而指数增大,分散性随电场不均匀性增大而增大;发光强度随电压增大而线性增大,随电场不均匀性增大而增大。

关键词：正流注低温三电极 ICCD 不均匀场

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光栅干涉精密纳米测量技术

光学精密工程 2024年第17期32卷 2591-2611页

作者：李星辉崔璨清华大学深圳国际研究生院广东深圳518055 清华大学清华-伯克利深圳学院广东深圳518055

光栅干涉测量是一种重要的精密纳米测量技术,具有高分辨率、高抗干扰能力和多自由度扩展的优势,在先进节点光刻机、超精密机床等场景中发挥着至关重要的作用。对比介绍了光栅干涉、激光干涉与时栅测量技术,明确其应用场景和当前性能参数... 详细信息

光栅干涉测量是一种重要的精密纳米测量技术,具有高分辨率、高抗干扰能力和多自由度扩展的优势,在先进节点光刻机、超精密机床等场景中发挥着至关重要的作用。对比介绍了光栅干涉、激光干涉与时栅测量技术,明确其应用场景和当前性能参数,阐述了光栅干涉测量中的零差和外差两种技术原理,并在此基础上分析了光栅干涉仪的国内外发展动态,包括代表性的设备厂商,和近年来国内外在纳米及亚纳米精度的单、多自由度系统方面的研究开发情况。进一步地,对光栅干涉测量的精度和误差进行了分析与讨论,介绍了误差来源、分类及针对性的补偿方法。最后,对光栅干涉仪的发展现状及未来前景进行了讨论,期望为光栅干涉仪系统的开发和优化提供参考。

关键词：精密测量纳米测量光栅干涉仪多自由度误差补偿

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硅基光波导开关技术综述

物理学报 2019年第10期68卷 153-167页

作者：涂鑫陈震旻付红岩清华大学清华-伯克利深圳学院深圳518055

硅基光波导开关技术是公认的低成本光交换技术,在电信网络、数据中心和高性能计算领域中都具有非常广泛的应用前景.本文系统综述了近年来硅基光波导开关技术研究取得的主要进展,首先对马赫-曾德尔干涉仪型、微环谐振型和微电子机械系统... 详细信息

硅基光波导开关技术是公认的低成本光交换技术,在电信网络、数据中心和高性能计算领域中都具有非常广泛的应用前景.本文系统综述了近年来硅基光波导开关技术研究取得的主要进展,首先对马赫-曾德尔干涉仪型、微环谐振型和微电子机械系统驱动波导型三种硅基光波导开关技术进行了介绍,并对不同原理的光开关技术的应用场景进行了总结;然后讨论了影响大端口光开关性能的关键技术,特别着重于拓扑架构、无源器件和光电封装等方面;最后对硅基光波导开关技术的技术挑战和研究方向进行了展望,其对未来硅基全光交换技术的实用化具有指导性意义.

关键词：光开关硅光子学光互连光子集成

大电流密度过渡金属硫族化合物析氢催化剂界面工程展望（英文）

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Chinese Journal of Catalysis 2024年第1期56卷 9-24页

作者：康馨余强敏张天昊胡书萁刘鹤鸣张致远刘碧录清华大学深圳国际研究生院清华-伯克利深圳学院&材料研究院深圳盖姆石墨烯中心

氢能是未来可持续社会中理想的能量载体,利用可再生能源电解水制取绿氢的技术受到研究人员的广泛关注.电解水制绿氢技术由实验室向工业应用跨越的前提是发展大电流密度下性能优异且稳定的电催化剂.析氢反应(HER)是一种非均相反应,涉及... 详细信息

氢能是未来可持续社会中理想的能量载体,利用可再生能源电解水制取绿氢的技术受到研究人员的广泛关注.电解水制绿氢技术由实验室向工业应用跨越的前提是发展大电流密度下性能优异且稳定的电催化剂.析氢反应(HER)是一种非均相反应,涉及催化剂-基底、催化剂-电解液、催化剂-气体三个界面.界面性质会影响电化学传质行为、电荷传输行为和催化剂的力学性质,从而影响大电流密度下制氢性能.因此,优化界面结构和性质是提升大电流密度下电解水催化剂性能并解决电解水技术工业应用挑战的关键.二维过渡金属硫族化合物(TMDCs)具有电子结构可调、活性位点丰富、合成方法多样等优势,自1976年首次应用于光电催化水分解反应、加氢脱硫反应以来,已有大量工作报道了TMDCs催化剂应用于HER.本文以TMDCs催化剂为例研究界面工程对大电流密度下HER的提升作用及机制.探讨了电化学反应中上述三个界面上发生的物理化学过程,系统分析了大电流密度下质量传输、电荷传输速率受限和力学强度不足三方面挑战,并总结了适用于大电流密度的催化剂性能描述符.分别归纳了针对以上三个界面的界面工程策略及相应作用,简要概括为:(1)催化剂-基底界面结合力增强、界面电阻降低、界面电子结构调控等策略;(2)催化剂-电解液界面形貌调控、表面化学、电解液环境调控等策略;(3)催化剂-气体界面疏气性调控、外场作用等策略.从反应机理研究、膜电极界面设计及电解槽界面性质调控三个角度对电解水反应界面工程未来的发展与应用提出了建议及展望.在反应机理方面,大电流条件下的界面性质如界面电阻、传质行为等仍需更深入的认识.在膜电极中,催化剂、离子交换膜、离子型聚合物、气体扩散层所形成的多元界面,尤其是催化剂-膜界面、催化剂-气体扩散层界面的结构仍需进一步优化以提升膜电极的活性及稳定性.在电解槽界面性质调控方面,催化剂-基底界面结合力等参数与催化剂寿命间的关系,电解过程中界面处的温度场及流场分布,适配于实际生产系统的电流密度等仍需深入研究.综上,本文从基本物理化学过程、策略及作用、挑战与展望等多个方面介绍了界面工程.本文有助于研究人员理解非均相电化学反应过程中界面的重要作用,提出催化剂、膜电极、电解槽界面设计新策略,并开发新型表征方法以深入对界面性质的认识,推动高效电解水技术的开发及应用.

关键词：界面工程电化学制氢反应大电流过渡金属硫族化合物膜电极

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金基底引导制备二维黑磷及其生长机理

科学通报 2021年第26期66卷 3480-3487页

作者：后羿冯思敏赵仕龙刘明强刘碧录清华大学深圳盖姆石墨烯中心清华-伯克利深圳学院清华大学深圳国际研究生院材料研究院深圳518055

二维材料是近年来材料科学和凝聚态物理学的前沿研究方向.在众多的二维材料中,黑磷(black phosphorus,BP)因其独特的带隙、优异的光学和电学性质、各向异性等特性而受到研究人员的广泛关注.如何可控制备二维薄层BP是该领域的难题之一.... 详细信息

二维材料是近年来材料科学和凝聚态物理学的前沿研究方向.在众多的二维材料中,黑磷(black phosphorus,BP)因其独特的带隙、优异的光学和电学性质、各向异性等特性而受到研究人员的广泛关注.如何可控制备二维薄层BP是该领域的难题之一.本工作系统研究了基底对BP生长的影响,结果表明金基底对BP的生长具有重要促进作用.在此基础上,使用镀有金薄膜的硅基底为生长衬底,通过设计限域生长空间和调控温度梯度,在全新的生长体系中实现了BP纳米片的直接生长,并探讨了其生长机理.本研究所报道的结果为实现二维薄层BP的制备提供了一条新思路.

关键词：二维材料薄层黑磷化学气相输运金基底限域空间温度梯度

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面向光刻机晶圆台的超精密光栅定位技术

激光与光电子学进展 2022年第9期59卷 310-326页

作者：朱俊豪汪盛通李星辉清华大学深圳国际研究生院广东深圳518055 清华-伯克利深圳学院广东深圳518055

光栅干涉仪凭借高精度和高鲁棒性,成为先进节点光刻机中的重要定位装置。针对14 nm及以下节点光刻机晶圆台的定位需求,综述了多自由度纳米/亚纳米测量精度的零差式和外差式光栅干涉仪的发展,并介绍了“四光栅-四读数头”的光刻机六自由... 详细信息

光栅干涉仪凭借高精度和高鲁棒性,成为先进节点光刻机中的重要定位装置。针对14 nm及以下节点光刻机晶圆台的定位需求,综述了多自由度纳米/亚纳米测量精度的零差式和外差式光栅干涉仪的发展,并介绍了“四光栅-四读数头”的光刻机六自由度位移测量系统布局。为了获得更高的精度和可溯源性,综合分析了光栅干涉仪中的环境误差、安装误差和仪器内在误差,并提出了光栅干涉仪实现亚纳米测量精度的关键问题,期望为光栅干涉仪精度提升和系统搭建提供初步指导。

关键词：光学设计光刻机精密定位光栅干涉仪位移测量