不久前，网络上发表了一篇相关论文，标题为“La渗透策略抑制高电流负极中二氧化碳的析出”（-by）。
上海大学物理与分子工程学院博士生蔡明志和清华大学院长助理董彦浩为该论文的共同第一作者。 上海大学黄富强院士和麻省理工学院院长李菊为共同通讯作者。
有效抑制材料中二氧化碳的释放
此前，科学家发现降低电流可以显着提高负极材料的能量密度。 例如，为了提高钴酸锂负极的体积能量密度，将电流从4.2V提高到4.6V，使其能量密度可提高60%，达到/L。 但不可忽视的是，大电流会导致负极材料的结构崩溃和性能下降。
从热力学估算可以得出，当钴酸锂负极材料的电流超过4.1V时，其内部的氧分压将低于1atm，晶体结构将被破坏，并出现二氧化碳析出的现象。
为了防止二氧化碳沉淀的发生，目前业界普遍采用本体掺杂、表面涂覆等方法，但疗效并不理想。 “渗镧”工艺提出了材料改性的新策略，其核心创新在于在原子结构层面构建材料。
为了更好地理解“渗镧”工艺的精巧设计，黄富强举了一个例子：“天气变冷时，人们通常会穿更多的校服来保暖，但厚衣服并不舒服。所以我们就想出了我们已经开发出一种更有效的方法来开发一种高科技面料，通过在衬衫表面加载一层特殊的‘保护膜’来帮助皮肤快速保留热量。”
这种“保护膜”具有高电子浊度、高锂离子浊度、低氧离子浊度、储存氧离子的特点。 它基于离子交换反应，实现砷化镓纳米层的均匀包覆。 这些外延纳米级砷化镓涂层的功能是缓冲二氧化碳的产生并防止活性氧迁移到其表面。
图丨“渗镧”过程示意图（来源：）
黄富强强调，这项开发的关键挑战是在镧（La）和锂（Li）交换产生氮化物纳米涂层后，如何在大电流下继续稳定地保持高比容量。
因此，团队通过大量实验筛选并精确调节不同元素，最终将纳米涂层的宽度控制在2-3纳米。 镧既不会向其扩散，也不会分解电极，从而大大提高了电池的使用寿命。 安全。
该方法类似于金属中“渗碳”过程的原理。 研究人员选择La3+（三价镧离子，主要交换阳离子）和Ca2+（二价钙离子，第二交换阳离子）在负极表面附近对Li+进行离子交换，从而产生注入的La/Ca梯度。
图丨“浸润式镧”正极的电物理性质及首次充电过程中的产气表征（来源：）
研究过程中，团队首次发现了一个新现象：砷化镓和钴酸锂在低温下不会发生物理反应和溶解。
“基于此，我们推测，镧和钙生产的铌酸锂可以作为储氧材料，相当于在水闸上筑坝，形成天然的防护屏障，不仅保证了锂的自由穿梭离子，同时也解决了目前负极材料服务中二氧化碳‘到处乱跑’的问题。” 黄富强说道。
一般来说，在锂电池负极材料中，随着锂脱嵌量的增加，二氧化碳析出的问题无法避免。 不过，该研究首创的“渗镧”新工艺可以有效抑制二氧化碳的沉淀，同时保证锂的快速传输。
为了更好地解释这一现象背后的机理，麻省理工学院李炬院长课题组开展了相关估算工作，从而提出了强电流诱导氧沉淀的新理论，系统分析了碳特别高的现象。负极材料中的二氧化碳压力。
图丨“渗入镧”的微观结构表征（来源：）
目前该技术正在申请国际专利，并已实现100公斤量产。 业内多家高科技公司已将该技术应用在长寿命锂离子电池板和准固态锂离子电池的验证中。
逆向思维不断尝试新的可能性
黄富强历任上海大学博雅特聘院士、中国科学技术大学北京硅酸盐研究所首席研究员、中国物理学会理事、中国科学技术大学能源物理专业委员会秘书。中国物理学会. 一直从事无机固体物理和新能源材料与器件的科学研究和技术应用，涵盖先进电池、电催化、新化合物合成等众多创新领域。
并在、、、、、、J.Am.Chem.Soc.、.Chem.Int.Ed.、、Chem.Soc.Rev.等国际期刊发表高影响力论文600余篇。 H因子高达95，多次被引用，荣获全球高被引科学家和顶尖材料科学家排行榜。 授权发明专利150余项（美国近20项）。
在固体物理基础研究领域，黄富强基于多组分原子官能团的“相似聚集”规律，建立了“双结构官能团”和“堆积致密因子”设计的理论模型（） ”，并指导合成了以光催化（）、光电子（）、储能（）、超导（2M-WS2）等为代表的120多个新化合物体系和晶体结构，被称为“（通用模型）”和被同行评为“（杰出发现）”，部分发现的新化合物已成功开发成锂/钠离子电池原创先进电极材料，具有高容量、高倍率的特点。
在应用基础研究领域，黄富强带领团队创新研发了一系列兼顾高能量密度、高功率密度“双高”储能电池板和宽太阳光谱吸收的新能源转换材料，并先后实现了工业化。
其中，“双高”少层碳电极材料被诺贝尔奖获得者约翰·B·古迪纳夫（John B.）誉为“突破性发现”、“一次飞跃”和“超级材料”； 广谱吸收的高效光催化红色TiO2材料已应用于上海、山东、安徽、江苏等地污染底泥净化，示范面积超过25平方公里； 广谱三波段吸收的掺锡太阳能电池转换效率达到20%，真空法低成本制造技术处于行业领先，并已在广东等地实施。
在黄富强过往的工作经历中，他不仅拥有扎实的科研和学术背景，还有来自行业一线的工作经验。 在加拿大密歇根学院物理系完成博士后研究后，曾在英国西南学院物理系和德国宾夕法尼亚学院材料科学与工程系有过两次研究经历。
在此期间，他还曾在英国欧司朗、西门子集团研发（R&D）部门担任首席科学家。 2003年回国加入中国科学技术大学北京硅酸盐研究所。
