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2020深圳石墨烯国际云论坛嘉宾-康飞宇教授近期工作精选

2020深圳石墨烯国际云论坛嘉宾-康飞宇教授近期工作精选

康飞宇教授本科、硕士毕业于清华大学,博士毕业于香港科技大学,现任清华大学深圳国际研究生院副院长、广东省能源与环境材料科研创新团队负责人、中国石墨烯产业技术创新战略联盟专家委员会主任。主要研究方向为新型碳材料的制备、表征和应用,特别是石墨、石墨烯及其在锂离子电池与其它储能器件中的应用。根据Web of Science数据统计,康飞宇教授迄今共发表论文627篇,他引21595次,篇均引用34.44,H因子为88。

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从石墨到石墨烯,康飞宇教授团队在新型碳材料、能源与环保用新材料研究方面投入了大量的精力和资源,取得了多项成果。2018年1月8日,凭借与天津大学杨全红教授团队历时多年合作完成的科研成果“高性能锂离子电池用石墨和石墨烯材料项目获得了2017年度国家技术发明奖二等奖。该成果发明了二元共插层鳞片石墨改性和微膨化技术,优化了锂离子动力电池充放电速率、循环和高低温性能,取得了低成本高品质石墨烯导电剂的宏量制备及应用技术,大幅提升了我国天然石墨资源的深加工技术和利用水平。

我们选取了康飞宇教授课题组近来的部分代表性工作,希望对大家有所启发。

1. Joule : 二维材料在热管理中的应用

随着电子工业的发展,小型化和集成化趋势给纳米电子器件中的有效散热带来挑战。二维(2D)材料,特别是石墨烯和六方氮化硼(h-BN)因其高热导率和良好的机械灵活性被普遍认为是热管理材料的理想候选。康飞宇教授和中科院金属所成会明院士(共同通讯)综述了固态材料的声子动力学和纳米尺度的热力学测试方法,重点介绍了2D材料与样品厚度、晶畴尺寸和界面相关的独特热学性能。在此基础上,文章讨论了2D材料控制生长和自组装的结构设计策略,探讨了2D材料近年来在柔性散热器和热界面材料中应用的最新研究成果。最后,文章提出了将2D材料应用于热管理器件的挑战及该领域可能的重要研究方向与机遇。

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文章信息:Houfu Song, Bilu Liu, Junqiao Wu, Hui-Ming Cheng*, Feiyu Kang*. Two-dimensional materials for thermal management applications. Joule, 2018, 2, 442-463.

2. Nano Energy:双重碳锚定策略制备柔性LiMn2O4正极

锂过渡金属氧化物(LTMOs)是锂离子电池(LIBs)中重要的正极材料。构建LTMO-柔性基体的鲁棒混合物对于开发高级柔性LIBs具有重要意义。然而,目前报道的平面贵金属基柔性正极价格昂贵且面容量低。因此,为LTMO正极开发低成本的纳米结构柔性基体很有必要,其中需要特别注意的是在高温退火过程中柔性基体的腐蚀以及界面处严重的离子迁移问题。康飞宇教授联合清华大学深圳研究生院的Jia Li、清华大学材料学院Zheng-Hong Huang(共同通讯)选择了带有截锥石墨烯层的碳纳米纤维(CNFs)作为LiMn2O4纳米晶生长的柔性基体。高度石墨化结构成就了优异的高温抗氧化性能。实验结果和理论计算都证实了大量暴露的石墨边缘面能对LiMn2O4起到强锚定作用。此外,非晶碳层也同时包覆在LiMn2O4纳米晶上,为其提供了另一个类似“网兜”的外部强锚定。这样的双重碳锚定策略帮助生成了具有鲁棒界面的1D LiMn2O4-纳米碳混合物。作为LIB正极,它具备高电子传导率、顺畅Li+传输性、良好电化学稳定性和优异的机械强度,由此获得了较高的面质量负载量(17.7 mg cm-2)。对应的柔性LiMn2O4/CNF@C//CNF全电池表现出高面容量(2.01 mAh cm-2)、良好倍率性能和循环稳定性。

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文章信息:Xiaoliang Yu, Jiaojiao Deng, Xin Yang, Jia Li*, Zheng-Hong Huang*, Baohua Li, Feiyu Kang*. A dual-carbon-anchoring strategy to fabricate flexible LiMn2O4 cathode for advanced lithium-ion batteries with high areal capacity. Nano Energy 2020, 67, 104256.

3. Carbon :种子法生长的枝状铁氮掺杂碳纳米管助力非贵金属燃料电池

在高度石墨化的多孔碳基质上获得高密度的Fe-Nx位点,对于开发铁/ 氮掺杂碳(Fe-N/C)电催化剂至关重要,这些兼具高氧还原反应(ORR)活性和高稳定性的催化剂可用于质子交换膜燃料电池(PEMFCs)。康飞宇教授联合清华大学深圳研究生院Lin Gan(共同通讯)报道了通过热解Fe/N 掺杂的碳纳米管种子负载的Fe掺杂沸石咪唑框架化合物(Fe-ZIF-8)前驱体而实现的Fe/N 掺杂碳纳米管(CNTs)的生长过程。这样的种子法生长使原本就具有Fe-Nx位点的Fe-ZIF-8前体成功转化为大量被高密度 Fe-Nx位点掺杂的次级CNT,同时保持高度石墨化。生成的催化剂具有高密度的Fe-Nx活性位、多孔网络结构、增强的导电性和提升的抗腐蚀力,相比于热解Fe-ZIF-8催化剂(Fe-ZIF’),提高了PEMFC 的性能和耐久性。此外,高度石墨化的结构结合枝状分级CNT网络使得碳纳米管网络具有高疏水性,可有效去除水,因此减缓了催化剂的性能衰减。高度石墨化的枝状分级CNT 中Fe-Nx 活性位点的成功引入为开发耐用的高活性无贵金属ORR电催化剂开辟了新道路。

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文章信息:Dongsheng Xia, Fei Tang, Xiaozhang Yao, Yinping Wei, Yuefei Cui, Miao Dou, Lin Gan*, Feiyu Kang*. Seeded Growth of Branched Iron-Nitrogen-Doped Carbon Nanotubes as a High Performance and Durable Non-Precious Fuel Cell. Carbon 2020, 162, 300-307.

4. Energy Storage Materials:揭露SEI界面对石墨负极钾离子电池容量衰减的影响

钾离子电池(KIBs)因其能量密度高、钾源储量丰富、成本低等优势而成为大型固定储能领域的经济候选,近年来引起广泛的关注。石墨因可以实现二元钾-石墨插层化合物的可逆形成、可大规模生产且价格低廉,而被认为是最有希望的KIBs负极材料。但容量快速衰减严重限制了其在KIBs中的实际应用。康飞宇教授联合清华大学深圳研究生院的Dengyun Zhai(共同通讯)通过组装钾/石墨半电池,系统性地探究了其在最常采用的碳酸酯类(EC/DEC)和醚类(DEGDME)两种电解液体系下SEI对电池容量衰减的影响。研究表明,EC/DEC电解液在金属钾负极表面的不断分解所导致的SEI持续增厚是EC/DEC体系下钾/石墨半电池容量快速衰减的主要原因,而石墨结构的逐渐畸变则是第二因素;相较而言,更稳定的醚类DEGDME电解液以及此体系下相对稳定的石墨结构有助于更加稳定的循环特性。此外,研究者还发现了酯类体系下石墨负极表面SEI的成分与半电池体系下基本一致。

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文章信息:Yu Lei, Da Han, Jiahui Dong, Lei Qin, Xiaojing Li, Dengyun Zhai* Baohua Li, Yiying Wu, Feiyu Kang*. Unveiling the influence of electrode/electrolyte interface on the capacity fading for typical graphite-based potassium-ion batteries. Energy Storage Materials 2020, 24, 319-328.

5. Angew. Chem. Int. Ed.:原位构建高压全固态锂金属电池的超稳导电化合物界面

石榴石型固态电解质因其高离子电导率和优异的化学稳定性,成为锂(Li)金属电池最有潜力的电解质之一。不过它与Li金属的润湿性较差,会引起非常大的界面阻抗和Li枝晶的剧烈生长。康飞宇教授联合清华大学深圳研究生院贺艳兵副研究员、南方科技大学任富增副教授(共同通讯)通过SnNx和Li金属在300℃的转换反应,在Li6.4La3Zr1.4Ta0.6O12(LLZTO)和Li金属之间原位构建包含LiySn合金和Li3N的超稳导电化合物界面(CCI)。其中,LiySn合金作为LLZTO和Li金属之间连续且鲁棒的桥梁,能够有效地将LLZTO/Li界面电阻从4468 Ω降低为164.8 Ω。同时,Li3N作为快Li离子通道,能够有效转移Li离子,使其在LLZTO/Li界面均匀分布。由此得到的Li/LLZTO@CCI/Li对称电池能稳定循环1200 h,无短路,且全固态高压Li/LLZTO@CCI/LiNi­0.5Co0.2Mn0.3O2电池0.25C时比容量达161.4 mA h g-1,25℃循环200圈后容量保持率为92.6%,库伦效率100%。

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文章信息:Kai Shi, Zipei Wan, Lu Yang, Yiwen Zhang, Yanfei Huang, Shiming Su, Heyi Xia, Keling Jiang, Lu Shen, Yi Hu, Shiqi Zhang, Jing Yu, Fuzeng Ren,* Yan-Bing He* and Feiyu Kang*. In-situ Construction of An Ultra-stable Conductive Composite Interface for High-Voltage All-Solid-State Lithium Metal Batteries. Angew. Chem. Int. Ed. , 2020. DOI:10.1002/anie.202000547

6. Carbon:核石墨的微结构及织构

核石墨的材料性能由制得的石墨纹理以及其因反应器中辐射和氧化而发生的演变所定义。因此,理解石墨微结构和织构对仿真模拟和预测核石墨材料性质变化非常必要。其中,核石墨织构涉及石墨微晶和畴结构的择优取向。康飞宇教授(通讯作者)课题组开发了一项基于微拉曼光谱和原子力显微镜联合技术,并将该技术应用于GCMB沥青碳石墨的织构表征。提出将微晶取向分析法用于表征石墨微晶的局部排列。为了比较,也做了沥青焦炭填料和不同部分粘结剂相的织构表征。沥青焦炭填料内的畴取向不规则,但是统计地遵从球形颗粒。主要的粘结剂相显示不太有序的织构,不过某些部分显示了非常有序的面微晶取向,甚至比填料颗粒具有更大的横向晶体尺寸。对织构的清晰描述为沥青炭石墨未来性质和辐射性能的模拟和研究提供了基础。

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文章信息:Ke Shen, Suyuan Yu, Feiyu Kang*. The microstructure and texture of Gilsocarbon graphite. Carbon 2020, 153, 428-437.

康飞宇教授简介

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康飞宇,教授,现任清华大学副秘书长、深圳研究生院院长、清华大学深圳国际研究生院副院长、广东省能源与环境材料科研创新团队负责人、中国微米纳米技术学会会士,TBSI首席科学家、环境科学与新能源技术中心主任、纳米能源材料实验室主任。

1981年考入清华大学机械工程系。

1988年7月获得清华大学机械工程硕士学位后留校工作。

1997年获香港科技大学机械工程博士学位。1997年9-12月在日本北海道大学访问研究。

1998年-2001年任清华大学研究生院综合办公室主任。

2002-2006年任清华大学继续教育学院常务副院长。

2006年至2010年1月任 清华大学副教务长,分别兼任本科教学评估办公室主任和学科建设办公室副主任。

2010年1月-2011年7月任清华大学深圳研究生院常务副院长。

2010年5月当选深圳市政协委员。

2011年7月起任清华大学副秘书长、兼任深圳研究生院院长。

康飞宇教授主要从事新型碳材料的制备、表征和应用研究,包括石墨层间化合物的合成、表征和应用,天然石墨的深加工技术,多孔炭材料的制备,室内空气净化技术等。他曾经和合作者一起承担并圆满完成了国家“八五”攻关项目“柔性石墨的增强”和“十五”攻关项目“天然石墨的深加工技术”, 2项国家863项目,2项军工科研项目,2项国家自然科学基金重点项目。目前拥有139项中国发明专利,17项美国等外国专利和19项PCT专利,在国内外学术期刊上发表600 余篇SCI论文。进入ESI全球材料科学、工程学领域前1%科学家行列,H指数为88,SCI他引21595次,近五年有44篇论文入选ESI数据库高被引论文,在国内外炭材料和储能材料领域具有重要影响。

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