南开大学陈军院士团队：金属离子电池技术挑战与机遇

南开大学陈军院士团队：金属离子电池技术挑战与机遇金属离子电池研究是当前世界科学的重要前沿，其在电化学储能领域展现了巨大的应用潜力，对于实现“零碳排放”的目标将起到重要作用。然而，金属离子电池技术也面临着诸多挑战与机遇。一、金属离子电池技术的挑战缺乏对电池的跨尺度、多结构、全周期的原理创新电池体系需要从宏观层次到介观层次，再到微观层次进行层层剖析。传统理论往往只能针对孤立对象、单一变量，忽略了材料与系统其他部分的关联，因此无法适用于电池体系跨尺度、多结构全局优化。未来电池的发展需要实现原理、体系与范式的革新，建立基于高通量计算-数据驱动的“电池材料基因组”与研究新范式，构建可用于原位动态检测的电池模型和技术，阐明材料的构效关系，并建立智能管理系统和能量时空供给精准预测系统。缺乏满足高精尖动力领域和规模储能要求的新材料和新体系随着航空航天、深海/极地探索等领域的快速发展，对电池提出了新的要求。传统锂离子电池不能满足极端条件和复杂工况下的应用，亟需开发多场景适用的动力电池关键材料和新体系。同时，规模储能需要电池具备长循环寿命、高能量转化效率、高安全性、低成本等特征，现有电池材料已无法满足上述要求，亟需开发基于丰产元素的电池新体系。单一学科难以高效组织电池研究现有电池研究队伍和有限的学科交叉已无法完成未来电池的需求。未来电池体系需要多学科交叉和产-学-研-用协同合作才能满足发展需求。需要从顶层设计，在更大层面组织多学科的协同交叉，设立重大研究计划组织推动。二、金属离子电池技术的机遇新能源发展的迫切需求为应对全球气候变化，大力贯彻新发展理念，充分开发和利用新能源势在必行。金属离子电池能够实现电能与化学能的高效转化，在电化学储能领域具有巨大潜力。与可再生能源开发相结合，金属离子电池将为实现“零碳排放”的目标发挥重要作用。技术创新带来的新机遇人工智能、大数据、区块链、云计算等技术的快速发展，为电池关键材料智能设计与新原理解析提供了新的机遇。这些技术可以应用于电池材料的设计与筛选、电池性能的优化与预测等方面，推动金属离子电池技术的创新与发展。多学科交叉融合未来电池体系的发展需要多学科交叉和产-学-研-用协同合作。化学、材料、数理、信息、能源、工程等学科的交叉融合将为金属离子电池技术的研究带来新的思路和方法，推动其向更高层次发展。三、南开大学陈军院士团队的贡献南开大学陈军院士团队在金属离子电池领域取得了显著的研究成果。他们不仅深入研究了金属离子电池的工作原理、结构、组成和关键材料等方面，还积极探索了新材料和新体系在动力电池和规模储能领域的应用。同时，他们也注重技术创新和学科交叉融合，为推动金属离子电池技术的发展做出了重要贡献。例如，陈军院士团队在锂离子电池领域取得了重要突破，开发出了高性能的锂离子电池材料和制备工艺。他们还积极探索了钠离子电池、锌离子电池等新型金属离子电池的研究和应用，为金属离子电池技术的多元化发展提供了有力支持。四、未来展望未来金属离子电池技术的研究将以复杂电化学界面上能量/物质输运与反应机理为核心科学问题，以先进原位表征和理论计算方法为手段，以研制大容量、长寿命、高安全、低成本、快响应、环境适应、智能管理储能电池以及高比能、快充放、高安全动力电池为目的。通过多学科交叉和产-学-研-用协同合作，建立超越传统的电池体系和研究范式，实现综合性能提升和资源高效利用。同时，也需要加强电池关键资源提取和废弃电池回收方面的研究，从源头上进行理论创新和技术突破，推动金属离子电池技术的可持续发展。总之，金属离子电池技术面临着诸多挑战与机遇。南开大学陈军院士团队等科研团队的不断努力和探索将为金属离子电池技术的发展注入新的活力和动力，推动其向更高层次发展。