4-19、探索新能源材料的“基因”
Exploring “Material Genes” In Advanced Energy Material
潘锋
北京大学深圳研究生院新材料学院
摘要：我们团队开展了材料基因组科学与工程研发，包括“什么是材料的基因”等科学问题的探索及高通量计算、制备和检测及数据库等材料基因组工程建设，目标是加速新型清洁能源材料和器件研发。
材料大数据与人工智能：我们建设了具有近几十万个晶体结构的无机材料晶体数据库，通过自主开发的第一性原理HSE快速计算方法对其中的一万五千多个无机晶体结构进行高精度的能带结构计算，基于这些大数据进行于人工智能深度的机器学习，获得晶体的结构与电子结构相关性的预测模型；
探索 “材料的基因”更底层的因素：晶体材料中原子的有效半径：基于晶体结构大数据，建立新型的元素的“原子有效半径”的模型和所在结构基元的参数；晶体材料由不同元素的原子组成，因此晶体材料中原子的有效半径是更底层的“因素”，例如原子间的距离是由原子的有效半径决定。我们建立的新型原子的有效半径模型，用建立起来的晶体结构大数据进行模拟和验证，为设计、合成、检测新材料，及探索新材料结构和性能相关性提供底层的认知基础。
探索锂电池正极“材料的基因”指导实验探索新储能材料：为了设计和制备具有下一代高能量密度锂电池正极材料和全固态电池，对过渡金属层状结构正极材料的构效关系开展了系统研究，探索该体系的“材料基因”，包括“结构基元”，对称性破缺与重构、过渡金属原子之间电子直接交换和超交换（TM-O-TM，TM 是过渡金属)相互作用。“结构基元”（晶体结构最基本的结构单元是晶格原子及其配位环境）以一定的组合排列方式形成了材料晶体结构。例如，代表性的正极材料都可以通过Li、过渡金属原子、阴离子“结构基元”以点、线、面的结合排列组成。对正极材料“结构基元”的研究，主要聚焦在以下三个方面：（a）材料的“结构基元”与稳定性；（b）材料的“结构基元”与容量；（c）材料的“结构基元”与电压、导电性。我们首次发现了过渡金属6个Mn连成的平面环（Mn6-ring）具有d-轨道电子共轭“芳香性”新型“结构基元”，发现这些“结构基元”与锂离子脱嵌过程中结构稳定性和电化学性能之间的构效关系，指导开发了有重要应用前景的高性能的新能源材料。因此，从“材料的基因”角度去研究正极材料物理化学性质，并关联其电化学性能加深对材料的本质认识，帮助我们真正从原子和分子层面设计新型高性能的储能材料。
DOI:10.12110/secondfmge.20181014.419
教授（博导，国家“千人计划”特聘专家 ），北京大学深圳研究生院新材料学院创院院长。目前聚焦“探索新能源材料基因科学与工程，包括探索材料的结构“基因”、材料高通量的计算、合成与检测及数据库等“材料基因组”工程及用于加速“清洁能源及关键材料研发”。2016年作为首席科学家组织11家单位 承担国家 “基于材料基因组的全固态锂电池及关键材料研发”重点专项。潘锋教授在SCI收录国外期刊发表近250多篇技术论文和书章，被Elsevier列为2015-17年中国高被引学者，2018年获得美国电化学协会“ECS电池领域科技创新奖”。3项国际发明专利，近80项国内专利申请。
Ref. F. Pan,* et al (1) Insight into the origin of lithium/nickel ions exchange in layered Li (NixMnyCoz) O2 cathode materials, Nano Energy 2018 49, 77; (2) Inorganic Aromaticity of Mn6-Ring Cluster in Layered Li (Ni0.5Mn0.5) O2, JPCC 2018, 122, 4125; (3) Role of Superexchange Interaction on Tuning of Ni/Li Disordering in Layered Li(NixMnyCoz)O2; J. Phys. Chem. Lett. 2017, 8, 5537（4）Role of Nanotechnology in Enabling High Power and High Energy Battery Materials for Electrical Vehicle Application，Nature Nanotech 2016, 11, 1031; (5) “Tuning of Thermal Stability in Layered Li(NixMnyCoz)O2”, J. Am. Chem. Soc., 2016, 138,13326; (6) Single-particle performances and properties of LiFePO4 nanocrystals for Li-ion batteries”Adv. Energy Mater., (Front page) 2016, 1601894; （7）“Kinetics Tuning of Li-ion Diffusion in Layered Li(NixMnyCoz)O2” J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 8364.