实验室针对电化学储能技术发展中的基础性和前沿性问题，拟在电化学储能技术研究、光（电）化学转换技术研究、光热转换与存储技术研究等三个方向开展原创性和应用基础研究。

研究方向一：电化学储能技术研究

以锂离子电池、钠离子电池、电化学超级电容器、新型铅碳电池以及锂硫电池等储能新体系为研究对象，发展储能材料结构与性质表征的有关基础理论，建立并完善储能材料合成-结构-性质-性能之间的构效关系模型，揭示储能材料多尺度结构特征与电池性能的内在联系和规律，为开发先进电化学储能新材料提供理论依据。同时，开展电池单体的结构设计，结合现代实验分析手段，研究电池材料的电子结构、晶体结构和物理性质与电化学性能之间的关系，指导新型电池材料的功能化设计。除了电池本身所用材料之外，储能系统集成及热管理则是提升器件整体性能，确保安全运行的必要条件。因此，基于电化学、材料学、分子动力学、工程热物理等多学科多领域基础之上，在先进电化学储能材料制备和储能系统集成及其热管理等方面开展研究与攻关。在未来三年建设期内，如图1所示，重点开展如下三个课题的研究

（1）电化学储能材料及其备技术研究

围绕当前锂离子电池、钠离子电池、超级电容器、锂硫电池等储能器件存在的关键科学与技术问题，提高器件的比能量、快充性能以及与长循环稳定性，在降低材料成本的同时，重点研究硅负极、三元高镍、高锰正极、准（全）固态电解质、金属锂负极，通过集流体、功能电解液、粘结剂、陶瓷隔膜设计优化提高锂离子电池的能量密度，使用寿命达10-15年。研究高容量金属锂、纳米硅碳负极，进一步提高锂硫电池的比容量、循环稳定性及安全性，着重研究水溶液钠离子电池，开发储钠新材料、电解液新体系，为开发高安全性、可靠性以及低成本的储能电池提供新的理论依据与技术指导；着力提高超级电容器的能量密度，开发电池-超级电容器联用、光伏-电池/超级电容器联用技术，通过新型电解液设计（如水浓盐体系）提高电容器的能量及功率密度；研究多电子反应储能新体系（镁离子电池、铝离子电池及其电容器体系）、钾离子电池、双离子电池、钠-氧电池等新体系，发展新的正负极材料和电解液等，优化新型储能体系的电化学性能。开展3D打印、激光穿孔技术、原子层沉积技术、静电纺丝技术等在正负极材料制备中的应用。采用原位/非原位表征技术、第一性原理模拟与计算等研究新材料的储荷机理、动力学特征以及变温环境条件下的电化学响应机制。

（2）电化学储能器件热管理

研究温度对储能器件电化学性能的影响，结合储能器件的电化学特性与产热机理，基于具体储能器件的最佳充放电温度区间，通过电池热场计算及温度预测，传热介质的选择，风机与测温点的选择以及热管理系统散热结构的设计，从而确保电池温度较高时进行有效散热，防止产生热失控事故；在电池温度较低时进行预热，提升电池温度，确保低温下的充电、放电性能和安全性，并且减小电池组内的温度差异，抑制局部热区的形成，防止高温位置处电池过快衰减，降低电池组整体寿命。解决储能器件因热散逸或热失控引起的安全问题，结合原位表征技术揭示其机理；深入研究并设计储能器件的健康状态、充放电倍率、充放电能力及SOC等多约束条件的综合能量管理策略，实现电池集成系统的健康管理，解决电池系统寿命过快衰减的难题。

研究方向二：光（电）化学转换技术研究

利用光（电）催化效应进行人工光合成可以分解水制造氢气及还原二氧化碳制造甲烷和甲醇等清洁燃料（如图2），从而将太阳能转化为可以长期存储和易于运输的化学能，同时有效地减少二氧化碳的排放，是未来太阳能利用的一种新方式。本方向将开展新型光响应材料设计、光催化剂制备、光电极构筑的基础研究，探究光电子激发及迁移控制、表面催化协同效应、可控缺陷制备及保护、光（电）催化的反应机理以及新型催化剂材料的工作机制。在未来三年建设期内，重点开展如下课题的研究：

（1）光催化水分解制氢技术研究

目前在原理和技术上，光催化水分解制造氢气面临着活性较高的光催化材料太阳光利用效率低以及光生空穴消耗等困难。为获取先进光催化制氢的半导体材料，将基于经典和Z型载流子迁移机制，调整组元相间的界面状态，设计和合成高效光催化异质结构，并通过界面处的电子结构控制、原子状态调整、晶面结构优化及载流子迁移通道的构建等进一步提升光催化活性。针对新型可见光响应的半导体材料研究，将采用数据挖掘以及理论计算等方法，利用元素掺杂以及可控缺陷制备等技术改进现有宽带隙半导体光催化剂的光物理特性。同时，探究太阳能光催化分解水制氢的新原理、新材料、新途径，阐明催化机制问题，提升光化学转换效率。

（2）光催化二氧化碳还原转化技术研究

在光催化二氧化碳还原生成一氧化碳、甲烷、甲醇及其他烃类方面，采取带隙调控、晶面控制、缺陷设计、纳米结构设计等多种思路设计优化材料，探究二氧化碳还原的反应路径和机制。通过分子设计（修饰、剪裁）手段，调控纳米功能的组成和结构，建立相应的构-效关系，获得高效能量转换材料。使用金属有机框架与传统半导体材料相结合，实现二氧化碳气体的选择性吸附及还原；利用可控缺陷制备技术调整半导体光催化表面的活性位点，达到二氧化碳可控还原的目的；通过助催化剂修饰实现二氧化碳还原产物的高选择性；联合光催化水分解及二氧化碳技术，利用光热费托合成等过程实现高效低成本的低碳液体燃料等化学品的选择性合成。

研究方向三：光热转换与存储技术研究

太阳能光热应用是利用太阳能最简单、最直接、最有效的途径之一，是将太阳辐射能通过集热系统聚集吸收转化为热能，其热能可直接利用，也可进行存储。本方向将针对光谱选择性吸收涂层材料、光热协同催化体系以及热能可逆存储技术中的科学问题开展基础研究工作。对选择性吸收涂层材料进行优化设计，提升可见光和近红外光选择性吸收能力，增强集热器件的耐高温性能；调控光热协同催化机制，提升CO2和水分解制氢的催化效率；对储放热的相变材料进行改性研究，增强热能存储效率和可控性；对新型光异构化材料进行研究和设计，阐明光能和热能的有效转换机制；对热能进行有效利用，在中低温段实现储能器件的热电转换。在未来三年建设期内，重点开展如下课题的研究：

（1）光谱选择性吸收涂层和集热器件

为实现较高的光热转换效率，选择性吸收涂层需在350-2500nm光谱区具有最大的吸收率，且需在2500nm以上具有较低的热辐射率。通过利用纳米合成技术和等离子激元共振效应制备涂层材料，有利于增强可见光和近红外光选择吸收能力，并将高吸收材料作为吸收层，低热发射率材料作为反射层，构建吸收层/发射层串联吸收机制，降低光谱吸收涂层在红外区的热发射率，实现较高光热转换效率。在集热器件组装工艺中，采用多种涂层材料复合设计，利用真空磁溅射镀膜技术，控制复合物层的纯度和厚度，解决材料附着力差的缺点。同时，采取多种膜层保护措施，增强材料的耐高温性，实现在高温热存储领域中的应用。

（2）光热协同催化CO2还原和分解水制氢

在光催化的基础之上引入热催化，构建光热共同促进CO2 还原的体系，利用可吸收近红外光的半导体纳米材料，通过等离子体共振或者能量跃迁带产生的热，从而在局部导致高温，提升催化剂本身的催化活性，提高CO2还原效率。由于半导体材料的催化活性随温度存在差异，且半导体晶格在高温下产生的氧空位数量对于催化性能的影响，需要去探究不同曝光时间和温度范围对 CO2光热协同催化效率的提升，研究最优化的协同催化机制。同时，温度升高也会引起水的氧化还原电势发生变化，从而促使水分解制氢速率升高。因此，利用光热协同效应制氢也是热能有效利用的方式之一。本研究将关注于新型光热化学循环分解水制氢技术，首先通过光反应促进金属氧化物形成电子空穴对，当通入水蒸气并加热时开始分解水。

（3）相变储能以及光异构化储能材料

相变储能材料能实现热能的可控储放（如图3），其中有机相变材料化学稳定性好，相变潜热较大且无过冷和相分离现象，但存在易燃和导热系数较低等缺点。采取纳米限域复合体系和芯壳结构的纳米复合相变体系，可使内部相变材料在相变过程有较大的传热面积，防止液体相变材料泄露，实现长循环的储放热性能以及相变温度的可控性。在相变材料复合过程中，通过添加高导热的金属纳米粒子，或将相变材料和碳材料进行有机复合，强化相变材料的导热性能，提升可逆储放热性能。针对光异构化有机材料的光热转化机制，研究光致变色分子顺反异构的光子储存机制以及热能释放效率，同时与有机相变材料结合，提高体系的光热转化效率和热能的可逆存储性能。同时探究新型储能器件，在中低温段实现储能器件的热电转换，对热能进行有效利用，