研在合工大 | 礦床、材料等領(lǐng)域新進(jìn)展

目錄

1.斑巖型銅金礦床研究領(lǐng)域

2.高比能鋰離子電池研究領(lǐng)域

3.功能介電復(fù)合材料研究領(lǐng)域

斑巖型銅金礦床研究領(lǐng)域

加強(qiáng)銅金礦產(chǎn)資源的科學(xué)研究和找礦勘查工作，確保國(guó)家銅金資源的安全供應(yīng)，是當(dāng)今地球科學(xué)面臨的重要任務(wù)。斑巖型銅金礦床是全球最重要的銅金礦床類型之一，也是礦山企業(yè)和礦床學(xué)家最青睞的勘查和研究對(duì)象，長(zhǎng)期以來被認(rèn)為主要形成于與洋殼俯沖作用相關(guān)的島弧或陸緣弧環(huán)境。然而，近年來的研究表明，斑巖型銅金礦床也可產(chǎn)于非弧環(huán)境中，如后俯沖、碰撞造山及陸內(nèi)環(huán)境。這類非弧型礦床由于缺乏洋殼俯沖所提供的外源氧化劑，其成礦巖漿如何獲得高氧化性并釋放金屬，一直是國(guó)際礦床學(xué)研究的核心科學(xué)問題。

近日，資源與環(huán)境工程學(xué)院周濤發(fā)教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合加拿大湖首大學(xué)、澳大利亞塔斯馬尼亞大學(xué)、澳大利亞國(guó)立大學(xué)以及中國(guó)科學(xué)院地球化學(xué)研究所等單位，在國(guó)際著名期刊《通訊-地球與環(huán)境》（Communications Earth & Environment）發(fā)表了最新研究成果。該研究以長(zhǎng)江中下游成礦帶的沙溪斑巖型銅金礦床為研究對(duì)象，綜合運(yùn)用全巖地球化學(xué)、礦物化學(xué)及同位素等多種手段，系統(tǒng)揭示了非弧環(huán)境下巖漿氧化與金屬富集之間的耦合機(jī)制。

研究表明，沙溪礦床根植于一個(gè)富硫化物、偏還原的新元古代弧巖漿下地殼，該地殼單元富集了大量銅和金等金屬。在白堊紀(jì)時(shí)期，一股新的高氧化性基性巖漿侵入并“沖刷”了這一還原性根區(qū)，使其中的硫化物發(fā)生氧化分解，釋放出銅、金等金屬元素，并隨巖漿遷移至上地殼形成成礦巖體。這一過程的證據(jù)被完整地記錄在輝石、鋯石、尖晶石及斜長(zhǎng)石的生長(zhǎng)環(huán)帶中。

研究指出，富金屬較還原的下地殼或巖石圈地幔雖然是形成非弧型斑巖礦床的必要條件，但并不足以單獨(dú)形成斑巖銅金成礦系統(tǒng)。只有當(dāng)新的高氧化性巖漿注入并與其發(fā)生反應(yīng)時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)金屬的氧化釋放與向上轉(zhuǎn)移。這一發(fā)現(xiàn)不僅揭示了非弧環(huán)境下巖漿氧化的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力，為理解地殼深部金屬再活化與遷移提供了新的理論框架，也為非弧環(huán)境斑巖型銅金礦床的找礦勘查提供了新的理論支持。

資環(huán)學(xué)院王世偉副教授為該論文的第一作者兼通訊作者，澳大利亞國(guó)立大學(xué)Michael Anenburg博士為共同通訊作者，合肥工業(yè)大學(xué)為第一通訊單位。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目、重點(diǎn)項(xiàng)目及國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的聯(lián)合資助。

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高比能鋰離子電池研究領(lǐng)域

近日，材料科學(xué)與工程學(xué)院孫毅副教授、項(xiàng)宏發(fā)教授團(tuán)隊(duì)與寧德新能源科技有限公司（ATL）負(fù)極團(tuán)隊(duì)以及寧德師范學(xué)院王佳偉博士合作，在國(guó)際能源材料領(lǐng)域著名期刊《Energy & Environmental Science》（IF=30.8）上發(fā)表研究論文。團(tuán)隊(duì)碩士生劉洋為論文第一作者，孫毅、項(xiàng)宏發(fā)、王佳偉為論文共同通訊作者，合肥工業(yè)大學(xué)為第一通訊單位。

硅負(fù)極因其高達(dá)3579mAh·g?1的理論比容量（約為傳統(tǒng)石墨負(fù)極的十倍）和0.4V（vs Li/Li?）的低鋰化電位，被公認(rèn)為是下一代高能量密度鋰離子電池的負(fù)極材料。然而在大規(guī)模實(shí)用化之前，其仍有兩大挑戰(zhàn)需要解決：一是循環(huán)過程中巨大的體積變化（>300%），造成硅顆粒開裂及從極片上粉化脫落。另一個(gè)是硅顆粒表面不穩(wěn)定的固體電解質(zhì)界面（SEI）反復(fù)重構(gòu)，致使電池中電解液持續(xù)分解和活性鋰不可逆損失。這些問題導(dǎo)致硅負(fù)極在使用過程中出現(xiàn)庫侖效率低下且容量快速衰減的現(xiàn)象。

為解決上述問題，研究人員在不同維度（活性材料、電極和電解質(zhì)）提出了多種改進(jìn)策略。實(shí)驗(yàn)室研究已證明，LiF在穩(wěn)定電極/電解質(zhì)界面上表現(xiàn)出顯著效果。與有機(jī)組分相比，LiF與硅顆粒的結(jié)合較弱，可以緩沖循環(huán)過程中負(fù)極的應(yīng)力/應(yīng)變，從而有效抑制硅負(fù)極膨脹。此外，其電子絕緣特性也減少了電解質(zhì)在負(fù)極表面的分解。但是依賴電解液添加劑在負(fù)極表面還原分解生成富LiF界面層的傳統(tǒng)方法常伴隨有副反應(yīng)產(chǎn)物的生成，不利于硅負(fù)極性能的改善發(fā)揮。因此如何實(shí)現(xiàn)均一LiF保護(hù)層在硅基顆粒表面的均勻包覆，以及探尋富LiF界面在實(shí)際電池中的作用是開發(fā)下一代高能量密度鋰離子電池的關(guān)鍵。

為此，團(tuán)隊(duì)提出了一種"預(yù)鋰化/原位氟化"協(xié)同創(chuàng)新策略：利用氟化試劑在預(yù)鋰化硅顆粒表面的還原反應(yīng)，構(gòu)建高純度、致密堆積的人工LiF界面保護(hù)層。通過在扣式半電池和軟包全電池中的測(cè)試，并結(jié)合原位共聚焦光學(xué)顯微鏡和有限元分析計(jì)算表明：該LiF保護(hù)層不僅能夠有效地穩(wěn)定硅負(fù)極/電解質(zhì)界面，還可以均勻化鋰離子通量，促進(jìn)鋰離子在界面?zhèn)鬏敗＿@種工程化的界面層在長(zhǎng)期循環(huán)過程中保持了其結(jié)構(gòu)完整性，有效緩解了硅基電極在充放電過程中的劇烈體積變化。組裝的Si/C||NCM811全電池在室溫1°C下循環(huán)1000次后容量保持率達(dá)94.5%；60°C下儲(chǔ)存7天容量保持率為94.9%，45°C循環(huán)650次后容量保持率為80.8%。

該工作提出了一種構(gòu)建負(fù)極人工界面層的新策略，為解決高應(yīng)變負(fù)極界面失穩(wěn)的關(guān)鍵難題提供了新思路，也為開發(fā)高能量密度、寬溫區(qū)范圍的鋰離子電池提供了理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

圖1 改性硅基負(fù)極制備過程示意圖及結(jié)構(gòu)形貌表征

圖2 改性前后的硅基負(fù)極在循環(huán)過程中的形貌演變及膨脹變化

本研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、安徽省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、安徽省重大科技項(xiàng)目以及中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金的資助，以及合肥啟宸新能科技有限公司、中國(guó)石化上海石油化工研究院的支持。

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功能介電復(fù)合材料研究領(lǐng)域

近日，電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院高電壓與絕緣技術(shù)團(tuán)隊(duì)青年教師還獻(xiàn)華在功能介電復(fù)合材料研究領(lǐng)域取得系列新進(jìn)展。相關(guān)成果發(fā)表在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《Advanced Functional Materials》和《Small》上。

介電材料通過調(diào)控電場(chǎng)分布、儲(chǔ)存電能以及傳遞電磁信號(hào)，在電子與電磁系統(tǒng)中發(fā)揮著核心作用。它們被廣泛應(yīng)用于電容器、天線、傳感器、絕緣系統(tǒng)以及高頻通信器件中，其性能直接影響能量密度、響應(yīng)速度、電磁兼容性及系統(tǒng)整體穩(wěn)定性。傳統(tǒng)上，介電材料研究主要集中于提升靜態(tài)性能指標(biāo)，如介電常數(shù)、絕緣強(qiáng)度與熱穩(wěn)定性，以保證穩(wěn)態(tài)工況下的可靠運(yùn)行。然而，隨著柔性電子、智能通信與多功能電磁裝備的快速發(fā)展，介電材料的性能需求正被重新定義，新一代應(yīng)用亟需材料具備可調(diào)控、可響應(yīng)的動(dòng)態(tài)介電特性。

針對(duì)這一前沿方向，課題組聯(lián)合復(fù)旦大學(xué)呂華梁教授、北京化工大學(xué)賈曉龍教授等研究團(tuán)隊(duì)，系統(tǒng)梳理了外場(chǎng)刺激響應(yīng)型復(fù)合材料在動(dòng)態(tài)介電工程中的研究進(jìn)展，提出了“組成–結(jié)構(gòu)–納米機(jī)制–功能”的多尺度設(shè)計(jì)框架，揭示了電、熱、力等多物理場(chǎng)作用下介電復(fù)合材料極化特性、電荷遷移與界面重構(gòu)等動(dòng)態(tài)調(diào)制機(jī)理。研究從材料設(shè)計(jì)邏輯、微觀機(jī)理到介電性能動(dòng)態(tài)調(diào)控策略進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)，并展望了未來基于多尺度建模與人工智能輔助設(shè)計(jì)的研究方向。該成果為構(gòu)建具有實(shí)時(shí)可調(diào)性、可編程性和多功能集成的下一代智能介電復(fù)合材料提供了理論基礎(chǔ)和設(shè)計(jì)思路。

圖 動(dòng)態(tài)介電復(fù)合材料的設(shè)計(jì)策略、調(diào)控機(jī)制與應(yīng)用領(lǐng)域

在先進(jìn)介電復(fù)合材料設(shè)計(jì)方面，團(tuán)隊(duì)提出了一種基于界面電荷遷移的極化強(qiáng)度調(diào)控策略。該研究首先通過引入氧化鋅納米線界面相以協(xié)同實(shí)現(xiàn)碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧復(fù)合材料的阻抗匹配優(yōu)化、電磁損耗增強(qiáng)、界面結(jié)合強(qiáng)化；同時(shí)，通過精細(xì)調(diào)控碳纖維表面化學(xué)官能團(tuán)，進(jìn)一步強(qiáng)化碳纖維–氧化鋅界面電荷遷移能力，從而實(shí)現(xiàn)極化強(qiáng)度與界面結(jié)合的協(xié)同提升。該策略有效解決了介電性能與機(jī)械性能之間的矛盾，實(shí)現(xiàn)了先進(jìn)結(jié)構(gòu)-功能一體化復(fù)合材料的設(shè)計(jì)與制備。

以上研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)以及安徽省自然科學(xué)基金等資助。

論文鏈接：

來源 | 資源與環(huán)境工程學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院

電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院

圖片 | 呂昊波

編輯 | 葉淑嫻

責(zé)編 | 衛(wèi)婷婷

投稿郵箱 | hfutxcb404@163.com

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