【骨干成员】
陈立泉中科院物理所研究员，中国工程院院士
李 泓 中科院物理所研究员，
索鎏敏中科院物理所研究员，

禹习谦中科院物理所研究员，优青
肖睿娟中科院物理所副研究员
范丽珍北京科技大学教授
刘永畅北京科技大学副研究员
【研究背景】
电池材料研究中，“材料基因”方法的基本思想是通过自动化技术和计算软件来操作各体系中具有共性的实验步骤和计算过程，在同一段时间里进行上万个样品的研究，实现高通量的材料探索，从而快速鉴别出物性达到某一指标或同时达到某几个指标的物质，并以此作为材料设计和优化的基础，同时也为理解材料结构与物性之间的关联提供依据。“材料基因”思想的引入，突破了传统的“试错”方法，加速了电池材料在计算-制备-表征等各个阶段的研究进程，将为电池研发提供全新的模式。
【研究目标】
通过高效、准确的材料基因组研发模式的开发，推动这种新型研究工具在新材料的成功发现和快速应用到产品的过程中发挥效力。通过在能源材料领域建立集成的高通量实验和计算模式，创建大数据分析系统，实现新兴能源材料的有效开发及新型电池器件的研发，并为材料基因组方法应用到其他类型材料的研发过程提供可参考的经验。
【主要研究内容】
1.基于材料基因组的高通量计算与新材料研发

2.基于材料基因组的高通量测试与表征分析
3.聚合物/无机物复合固体电解质的高通量制备与表征技术
4. 基于材料基因组的固态锂电池开发
【重要研究进展】
1.新型有机/无机复合固体电解质开发及固态锂电池制备
提出了双三维导电网络构筑有机/无机复合固体电解质的思想，即以无机固体电解质作为刚性导电骨架，聚合物电解质作为柔性载体，通过渗流离子传输与复合协同效应相结合的思路设计具有双三维导电网络的锂离子导电新材料（图a）。无机单离子导体不仅能够自身传导锂离子，而且可以降低聚合物的结晶度、提高聚合物的链段运动能力，从而提高复合固体电解质的离子电导率。该复合固体电解质具有很强的机械性能、电化学稳定性和抑制锂枝晶生长的能力，很大程度提高了电池的安全性。相关成果发表于Nano Letters、Nano Energy、AdvancedEnergy Materials等期刊，并已在合作企业（清陶）推广应用，制备了能量密度为419 Wh/kg的高安全高能量密度固态锂电池（图b）。


2.基于材料基因组的高通量计算方法研究
建立了适用于研发高离子电导率材料的高通量流程，即初始筛选采用低精度键价的方法估算锂离子输运势垒，精细筛选利用高精度DFT方法计算势垒、能隙，最后通过掺杂、替换等方式优化性能，并选择相匹配的电极材料。目前已采用高通量计算成功筛选出Li₂SiO₃、Li₂SnO₃等富锂正极包覆材料，Li-P-S固体电解质等。此外，发展了不同尺度的高通量表征技术，比如通过升级自动进样器，设计样品旋转台等显著提高了X射线衍射仪的测试效率，开发了不同能量下X射线谱学的高通量表征，建立了X射线成像与大数据分析系统。相关成果发表于Nature Energy等权威期刊，并已在物理所溧阳天目湖研究院，北京怀柔清洁能源材料测试诊断与研发平台推广应用。

团队成果
1.发表论文
序号
论文名称
发表刊物
发表
时间
收录类别
作者

1
Chemical energy release driven lithiophilic layer on 1 m2commercial brass mesh toward highly stable lithium metal batteries
NanoLetters
2019.01
SCI
Shaobo Huang, Wenfeng Zhang, Hai Ming, Gaoping Cao, Li-Zhen Fan, Hao Zhang

2
Solid polymer electrolyte soft interface layer with 3D lithium anode for all-solid-state lithium batteries
Energy Storage Materials
2019

Shangsen Chi, Yongchang Liu, Ning Zhao, Xiangxin Guo, Ce-Wen Nan, Li-Zhen Fan

3
3D Flexible Carbon Felt Host for Highly Stable Sodium Metal Anodes.
Advanced Energy Materials
2018.03
SCI
Shang-Sen Chi, Xing-Guo Qi, Yong-Sheng Hu, and Li-Zhen Fan.

4
PEO/Garnet Composite Electrolytes for All-Solid-State Lithium Batteries: from “Ceramic–in–Polymer” to “Polymer–in–Ceramic”.
Nano Energy
2018.04
SCI
Long Chen, Yutao Li, Shuai-Peng Li, Li-Zhen Fan, Ce-Wen Nan, and John B. Goodenough.

5
Approaching the downsizing limit of maricite NaFePO4 towards high-performance cathode for sodium-ion batteries.
Advanced Functional Materials
2018.05
SCI
Yongchang Liu, Ning Zhang, Fanfan Wang, Xiaobin Liu, Lifang Jiao, Li-Zhen Fan

6
Nanowire-reinforced 3D porous Cu current collector for controllable and dendrite-free Na metal plating/stripping.
Energy Storage Materials
2018.11

Tian-Shi Wang, Yongchang Liu, Ya-Xiang Lu, Yong-Sheng Hu, Li-Zhen Fan.

7
Dendrite-free Li metal deposition in ambient temperature all-solid-state lithium sulfur batteries with polymer-in-salt polysiloxane based electrolyte.
Energy Storage Materials
2018.11

Long Chen, Li-Zhen Fan.

8
MOF-Derived Nitrogen-Doped ZnSe Polyhedrons Encapsulated by Reduced Graphene Oxide as Anode for Lithium and Sodium Storage
Journal of Materials Chemistry A
2018.10
SCI
Xiaobin Liu, Yongchang Liu, Ming Feng, Li-Zhen Fan

9
In situ synthesis of a highly active Na2Ti3O7 nanosheet on an activated carbon fiber as an anode for high-energy density supercapacitors
Journal of Materials Chemistry A
2018.09
SCI
Xiaoming Qiu, Xuan Zhang, Li-Zhen Fan

10
Biowaste-derived 3D honeycomb-like porous carbon with binary-heteroatom doping for high-performance flexible solid-state supercapacitors
Journal of Materials Chemistry A
2018.01
SCI
Yu-Xi Liu, Zechuan Xiao, Yongchang Liu, Li-Zhen Fan

11
Co2P nanoparticles encapsulated in 3D porous N-doped carbon nanosheet networks as an anode for high-performance sodium-ion batteries
Journal of Materials Chemistry A
2018.02
SCI
Dan Zhou, Li-Zhen Fan

12
3D porous binary-heteroatom doped carbon nanosheet/electrochemically exfoliated graphene hybrids for high performance
Journal of Materials Chemistry A
2018.05
SCI
Yuxi Liu, Xiaoming Qiu, Xiaobin Qiu, Yongchang Liu, Li-Zhen Fan

13
Immobilization of tungsten disulfide nanosheets on active carbon fiber as electrode materials for high performance quasi-solid-state asymmetric supercapacitors
Journal of Materials Chemistry A
2018.05
SCI
Xiaoming Qiu, Luning Wang, Li-Zhen Fan.

14
A simple strategy toward hierarchically porous graphene/nitrogen-rich carbon foams for high-performance supercapacitors.
Journal of Materials Chemistry A
2017.12
SCI
Yue Chen, Zechuan Xiao, Yongchang Liu, Li-Zhen Fan

15
3D fiber-network reinforced bicontinuous composite solid electrolyte for dendrite-free lithium metal batteries
ACS Applied Materials and Interface
2018.02
SCI
Dan Li, Long Chen, Tianshi Wang, Li-Zhen Fan

16
Self-standing Na-storage anode of Fe2O3 nanodots encapsulated in porous N-doped carbon nanofibers with ultra-high cyclic stability
Nano Research
2018
SCI
Yongchang Liu, Fanfan Wang, Li-Zhen Fan

17
High rate integrated quasi-solid state supercapacitors based on nitrogen-enriched active carbon fiber/reduced graphene oxide nanocomposite.
Carbon
2018.04
SCI
Xiaoming Qiu, Zechuan Xiao, Luning Wang, Li-Zhen Fan.

18
Flexible poly (ethylene carbonate)/garnet composite solid electrolyte reinforced by poly (vinylidene fluoride-hexafluoropropylene) for lithium metal batteries
Journal of Power Sources
2018.07
SCI
Zijian He, Long Chen, Bochen Zhang, Yongchang Liu, Li-Zhen Fan

19
Effect of oxygen-containing functional groups in epoxy/reduced graphene oxide composite coatings on corrosion protection and antimicrobial properties
Applied Surface Science
2018.08
SCI
Ming-Hui Wang, Qihong Li, Xiaogang Li, Yongchang Liu, Li-Zhen Fan

20
Reverse microemulsion synthesis of nickel-cobalt hexacyanoferrate/reduced graphene oxide nanocomposites for high-performance supercapacitors and sodium ion batteries
Applied Surface Science
2018.03
SCI
Xiaoming Qiu, Yongchang Liu, Luning Wang, Li-Zhen Fan

21
Facile synthesis of three-dimensional porous carbon networks for highly stable sodium storage
Ionics
2018.10
SCI
Dan Zhou, Li-Zhen Fan

22
Graphene and polydopamine double-wrapped porous carbon-sulfur cathode materials for lithium-sulfur batteries with high capacity and cycling stability
Ionics
2017.12
SCI
Yuan Dong, Runtian He, Li-Zhen Fan

23
A free-standing and thermostable polymer/plastic crystal electrolyte for all-solid-state lithium batteries
Ionics
2017.12
SCI
Yuan Dong, Tianjie Ding, Li-Zhen Fan

24
Poly(ethylene carbonate)-based electrolytes with high concentration Li salt for all-solid-state Lithium batteries
Rare Metal
2018.06
EI
Zijian He, Li-Zhen Fan

25
High-performance all-solid-state lithium-sulfur batteries with sulfur/carbon nano-hybrids in composite cathode
Journal of Materials Chemistry A
2018
SCI
Yibo Zhang, Ting Liu, Qinghua Zhang, Xue Zhang, Shuo Wang, Xinzhi Wang, Liangliang Li, Li-Zhen Fan, Ce-Wen Nan, Yang Shen,

2.授权与申请专利
（1）授权发明专利
序号
专利名称
专利授权号
完成人
类型
授权日期

1
一种复合固态聚合物电解质及全固态锂电池
ZL2.9
范丽珍, 陈龙
发明专利
2019.01.05

2
碳化脱脂棉/石墨烯复合材料的制备方法
ZL5.0
范丽珍, 宋阔, 宋维力
发明专利
2018.03.27

3
一种立方相锂镧锆氧固态电解质纳米材料的制备方法
ZL2.9
范丽珍, 张博晨
发明专利
2018.08.03

4
一种电磁屏蔽用磁性材料/石墨烯纸的制备方法
ZL6.6
宋维力, 官晓甜, 范丽珍, 王婵媛
发明专利
2018.03.30

（2）申请专利
序号
专利名称
专利申请号
完成人
类型
申请日期

1
一种纳米碳球支撑MXene复合材料的制备及其应用方法
3.2
范丽珍,刘凡凡
发明专利
2018.10.29

2
一种蒙脱石基复合固体电解质及固态锂电池
5.5
范丽珍，陈龙
发明专利
2018.10.22

3
一种钠锆硅磷复合固体电解质的制备方法
3.6
范丽珍，牛苇，陈龙
发明专利
2018.10.22

3.科研奖励
序号
奖项名称
颁发单位
等级
获奖成果名称
获奖人
获奖时间

1
建筑材料科学技术奖
中国建筑材料联合会中国硅酸盐学会
一等（基础研究类）
全固态电化学储能材料
范丽珍，南策文，林元华，沈洋，黄冕，梅骜
2018.02