1.    计算能源材料

传统的二次电池研究以实验为主，随着人们对材料各方面性能的要求不断提高，对反应机理的了解愈发深入，仅仅依赖于实验对电池材料进行研究已经无法满足现代发展的需求。基于量子力学密度泛函理论的第一性原理计算可在原子尺度下探究电池材料的晶体结构、电荷转移、相变过程、弹性性能、导电性、离子迁移机理等基础科学问题。这些分析能够对现有的实验现象提供合理的理论解释，同时能够预测甚至设计出适合的电池材料，为实验提供可行的理论指导。例如：我们研究了二维碳化物材料MXenes的结构和电子性质，分析了表面官能团、客体离子与基团在其表面的吸附结构、反应过程和迁移动力学性质，为理解和改进MXenes在二次电池和燃料电池中的电化学性能提供参考依据（JPCC, 2017, 121, 13025; JMCA, 2017, 5, 24720; JMCA, 2020, 8, 3097）；采用第一性原理计算，研究了锂/钠/钾碱金属离子在氧化物、硫化物、聚阴离子化合物、有机/无机杂合化合物中的存储行为，在原子尺度上揭示了各类复杂结构电极材料在离子存储过程中的结构相变和电荷转移行为，为揭示材料的电化学机理，改进其电化学性能提供了理论依据（JMCA, 2017, 5, 21370；JMCA, 2018, 6, 16228; JMCA, 2018, 6, 15985; ACS AMI, 2019, 11, 22307）; 借助USPEX，CALYPSO等结构搜索软件，设计了几种结构稳定、制备可行的新型储能电池材料，并预测了它们的电化学性质，有望从中发现新的电化学储能机理，获得新型的高性能电池材料（JMCA, 2019, 7, 8873; JMCA, 2019, 7, 26858; ACS AMI, 2020, 12, 619）。

2.    锂电池材料与器件

从几乎天天不离手的手机、笔记本电脑，到绿色清洁的电动汽车、探索宇宙的航天设备，锂离子电池这项“让电能随身携带变成可能”的发明，给整个人类社会带来了巨大变化。随着现代电子、交通、能源技术的发展，迫切需要更加高效的电极材料和电池体系以满足新的高端储能器件发展的需求。多年来，我们针对高比能锂离子电池的正负极材料和相关技术开展了大量研究，推动锂离子电池技术的进步。例如：阐明了晶格氧释放对富锂层状氧化物电化学动力学行为的影响（JPCC, 2010, 114, 22751; JPCC, 2013, 117, 3279），提出高电压锂锰尖晶石/层状异质结构表面修饰方法，有效解决了富锂层状正极材料结构稳定性差、倍率性能低、安全性能差的问题（Chem. Mater. 2015, 27, 5745; ACS AMI, 2016, 8, 3308）；利用东北地区丰富的秸杆和稻壳资源，开发了高容量、长寿命的硅碳基负极材料，即解决了资源环境方面的困扰，又为高比能锂离子电池负极材料的开发提供了可行的技术途径（Small, 2020, 2001714; Electrochimica Acta 2016, 191, 411; 发明专利：201811476586.3）。然而，传统锂离子电池的比能量近年来已逐渐接近于其理论极限。为改善上述困境，人们开始更多地关注锂硫电池、锂空气电池等下一代锂电池技术，由此带来金属锂电池的复兴。但是，金属锂电池的实际应用尚依赖于电池各组成部件及电池体系的创新。我们与吉林大学化学学院、中科院长春应化所、哈尔滨工程大学等单位合作，围绕金属锂电池的功能性凝胶电解质（ACS AMI, 2019, 11, 19413; JMCA, 2020, 8, 4775）、结构化锂负极（ACS Nano, 2019, 13, 14319）、电解液添加剂（Energy Storage Materials, 2020, 25, 795）、硫正极和氧正极的功能化设计（JMCA, 2018, 6, 8595; ACS Nano, 2019, 13, 11078; ChemSusChem, 2019, 12, 4671）开展了大量尝试，在深刻认识金属锂电池电化学反应特殊性的基础上，确定影响电池应用性能的关键因素，探索有效的解决途径。

3.    非锂二次电池体系

锂离子电池自1990年研发成功开始到现在已经走过了30个年头，但是，随着近年来锂价格的节节攀升及锂离子电池安全性问题等因素，寻找锂离子电池的替代品成为储能电池研究的热门课题。相较于锂离子电池，钠离子电池、镁离子电池、锌离子电池的材料来源更加的广泛而且储量更为丰富。这些非锂二次电池的高安全、低价格特性使其应用于大规模储能系统（ESS）具有显著的优势。但是，受限于嵌入阳离子较大的体积或高的电荷密度等问题，其在正极材料体相中的嵌入动力学较差。此外，有机/水系电解液与金属负极之间的相互作用极易导致枝晶生长、表面钝化等问题，致使电池倍率性能和循环稳定性下降。我们针对上述非锂二次电池体系，重点采用原位或非原位表征技术，研究充放电过程中电池材料的结构变化和氧化-还原过程，相关研究揭示了聚阴离子化合物、多硫化物在钠离子嵌入过程中的转换反应机理（ACS AMI, 2017, 9, 4709; Energy Storage Materials 2019, 18, 51）、镁离子在特定化合物中的赝电容存储和可逆脱嵌反应（Nanoscale, 2017, 9, 12934; ACS AMI, 2020, 12, 9316）、水系锌离子电池正极/电解液的副反应机理（JMCA, 2020, 8, 9567）等。在此基础上，有针对性地开展了材料复合、电解液添加剂、电池体系设计等方面的研究（JMCA, 2017, 5, 600; ChemSusChem, 2017,10, 4778; JMCA, 2018, 6, 5782; Adv. Energy Mater. 2018, 8, 1800144; Energy Storage Materials 2019, 23, 749; 发明专利：ZL201610810748.7），为非锂二次电池的实际应用提供理论依据。