熱烈祝賀王潘丁博士順利畢業！！！
祝賀本課題組王潘丁同學博士論文「先進材料與結構CT重構數位化建模與圖像有限元方法研究」通過答辯並順利畢業！！！
1. 先進材料與結構CT重構數位化建模與圖像有限元方法研究
祝賀：王潘丁
近年來，國防與工業高端裝備對先進材料與結構需求迫切，與傳統材料與結構相比，先進材料具有高強、高韌等力學和物理性能，而先進結構同時具備輕質、耐高溫、高承載、耐腐蝕等優異的性能。然而，在複雜極端服役環境下，先進材料與結構的失效破壞模式多樣，損傷破壞機理尚不清楚，尤其是其內部參量和損傷演化原位測量與表徵技術是最重要的關鍵科學問題之一。本文基於CT重構和圖像有限元方法系統開展了先進材料與結構的內部變形、缺陷的損傷演化表徵和強度評價方法研究，主要內容如下：
(1) 自主設計搭建了國內首臺基於力學在位加載雙源雙探CT的成像系統，有效的將Zwick試驗機與雙源雙探CT進行系統集成，實現先進材料與結構的彈塑性拉壓彎力學在位加載CT實驗表徵。系統最大載荷可達100kN，空間解析度可達5μm；完成了成像系統的調試和系統指標實驗驗證；實現了材料的高精度數位化建模，通過模型對比算法，驗證成像系統CT掃描和三維數位化建模的精度。
(2) 採用基于格柵的網格簡化算法和模型對比算法，發展了重構軟體的四面體單元圖像有限元方法，實現圖像有限元網格的高質量、高精度劃分；建立了一種基於NURBS和布爾邏輯運算的圖像有限元方法，實現大尺寸結構件以及局部模糊的斷層圖片的高精度建模；針對具有複雜宏細觀結構的點陣和複合材料，提取了一種基於統計學的圖像有限元方法，實現周期性含分布式缺陷結構的代表性體積單元建模，為了先進結構的數值計算提供等效材料參數。
(3) 基於發展的四面體單元圖像有限元方法，對於先進金屬結構分別從成型過程的金屬顆粒細觀尺度、含製造工藝產生缺陷的構件尺度和含服役載荷產生缺陷的結構尺度的內部缺陷損傷演化過程進行了系統原位表徵：建立了AlSi10Mg空心顆粒的細觀圖像有限元評價方法，研究了增材製造的AlSi10Mg試樣表面幾何缺陷對材料力學性能的影響，對預製孔洞的損傷演化過程進行了在位實驗表徵和數值預測；採用圖像有限元方法，對氣流載荷下含缺陷的航空發動機葉片的力學響應進行精確預測。結果表明，所提出CT重構和圖像有限元方法具有廣泛適用性，相關成果已為空心顆粒評價的國家標準立項提供重要支撐。
(4) 採用發展的基於NURBS和布爾邏輯運算的圖像有限元方法和基於統計學的圖像有限元方法，分別從組元尺度、細觀尺度、結構尺度對複合材料結構開展了多尺度的圖像有限元分析，揭示了大型碳纖維抗側滾梁的內部缺陷損傷演化機理。通過複合材料基體組元以及熱壓罐和真空袋工藝製備的試樣圖像有限元和實驗表徵，獲得了結構的等效力學參數和最佳工藝參數，實現了大尺寸碳纖維側滾梁結構件的數位化模型拼接和多尺度圖像有限元建模分析，揭示了幾何形貌和內部缺陷對結構力學響應的影響機理，實現了大尺寸結構承載力的精準預測。
圖1.博士期間研究課題的主要內容.
王潘丁. 先進材料與結構CT重構數位化建模與圖像有限元方法研究[D]. 北京大學，2019.
2. Enhancement effects of Co doping on interface properties of Sn electrode-collector: a first-principles study
鈷摻雜對錫電極-集流體界面增強作用的第一性原理研究
投稿：湘潭大學馬增勝教授課題組
錫負極因其較高的理論容量，儲量豐富，價格便宜，環境友好等優點，被認為是有希望的鋰離子電池負極材料。但是，錫負極在鋰化和去鋰化過程中經歷的巨大體積變形會引起活性材料的斷裂、粉碎，活性材料從集流體上剝離，以及固體電解質膜的反覆形成和剝落，這直接導致電池容量的衰減和差的循環性能。近期的研究發現，鋰化誘導的活性材料和集流體界面強度衰減是界面剝離的主要原因。因此，為了緩解鋰化過程中活性材料-集流體界面的層，進一步提高電池的循環性能和容量保持率，就需要提高界面結合強度。近期，利用第一性原理計算模擬，湘潭大學馬增勝教授團隊報導了鈷(Co)元素摻雜對錫(Sn)活性材料和銅(Cu)集流體界面結合強度的強化作用，並研究了相關機理。通過對Co不同位置摻雜進行研究，他們發現Co在活性材料和集流體界面區域的摻雜都可以不同程度的增強界面結合強度，其中界面間隙位置是最佳的摻雜點，界面解離能可以提高約9%。這主要是由於Co與界面處的Sn、Cu以及Li原子(對於鋰化後的界面)形成較強的化學鍵。另外，隨著Co含量的增加，界面系統的界面結合強度和電子穩定性都在不斷提高，但熱力學穩定性有所降低。通過研究界面系統的生成熱隨Co含量的變化規律，作者給出了最佳的Co摻雜含量。
圖2. 摻雜前後Sn/Cu(a-b)和LiSn/Cu(c-d)界面的pCOHP分析，以及(e-h)相應放大的界面處的pCOHP分析.
P. Zhang, Y. Wang, W. Lei, Y. Zou, W. Jiang, Z. Ma, C. Lu. Enhancement effects of Co doping on interface properties of Sn electrode-collector: a first-principles study. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11, 24648−24658. DOI: 10.1021/acsami.9b01418
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.9b01418
3. Evaluating flexibility and wearability of flexible energy storage devices
柔性能源存儲器件的柔性及可穿戴性能的評估
翻譯：鮑垠樺
本文研究了表徵柔性能源存儲器件彎曲耐久性能的幾個廣泛使用的參數。同時，參考評估皮革柔軟度的國際標準，提出了用於評估柔性能源存儲器件的柔軟度參數，文中認為柔軟度參數與可穿戴性能更為相關。文中提出可拉伸能源存儲器件的殘餘應變也是一個長時間被忽視的問題，需要引起研究者的關注。本文希望通過提供一種系統的，可被普遍接受的標準測試方法來評估柔性能源存儲器件的靈活性，可拉伸性及耐久性。
圖3. 柔性可穿戴能源存儲器件彎曲性能測試及柔軟度測試示意圖及相關參數.
H. Li, Z. Tang, Z. Liu, C. Zhi. Evaluating flexibility and wearability of flexible energy storage devices. Joule, 2019, 3, 613-619. DOI: 10.1016/j.joule.2019.01.013
https://doi.org/10.1016/j.joule.2019.01.013
4. Direct-contact microelectrical measurement of the electrical resistivity of a solid electrolyte interface
固態電解質界面電阻的直接接觸式微電子測量
翻譯：陳亞
固態電解質界面（SEI）可有效阻止電子的傳輸，從而抑制電解液的分解，提升電池的穩定性和可逆性。儘管角色重要，但SEI膜的電學性質從未被直接測量。此工作基於安裝在電子顯微鏡的直接接觸微電子裝置首次呈現了富含LiF的SEI電阻率的實驗結果。結果表明SEI電阻率高達2.3×105Ω·m，接近典型絕緣材料。作者通過第一性原理計算發現：SEI主要由無定型LiF和Li2CO3微晶組成。作者還通過計算不同LixF化合物的能帶結果揭示了其對電阻率的影響以SEI高電阻的本質原因。此項工作解釋了為何SEI能阻礙電極材料分解和電解液中Li離子消耗。
圖4. 能帶結構: (a) Li0.25F0.75；(b) LiF; (c) Li0.52F0.48；(d) Li0.75F0.25；(e) 計算得到的不同LixF1-x相的電阻值。誤差線表明了4到5個原子結構的最大值和最小值.
J.-H. Park, Y.-S. Choi, H.-J. Lee, H.-C. Shim, J.-P. Ahn, J.-C. Lee. Direct-contact microelectrical measurement of the electrical resistivity of a solid electrolyte interface. Nano Lett., 2019, 19, 3692-3698. DOI:10.1021/acs.nanolett.9b00765
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b00765
5. Three-dimensional rigidity-reinforced SiOx anodes with stabilized performance using an aqueous multicomponent binder technology
通過採用水系多組分粘結劑技術，使得三維剛性增強的二氧化矽負極具有穩定的性能
翻譯：陳麗麗
採用水系多組分粘結劑製備了三維(3D)剛性增強SiOx負極，以穩定鋰離子電池的性能。考慮到彈性骨架、粘結性、電解質吸收等因素，選擇了四種粘結劑[聚丙烯醯胺(PAM)、聚四氟乙烯(PTFE)、羧甲基纖維素、丁苯橡膠(SBR)]製備水系多組分粘結劑。聚丙烯醯胺/SBR/PTFE (PSP)結合劑的SiOx負極具有三維剛性增強結構、較大的附著力和中等的電解質吸附能力。具體來說，使用PSP663粘結劑的SiOx負極的電化學性能得到了穩定，經過300次循環，在500mAg−1時的仍保留容量770mAhg−1，在1200mAg−1時的容量保持為993mAhg−1。由於聚四氟乙烯具有良好的化學穩定性，可以保護SiOx顆粒不受電解液腐蝕，保證電極的完整性，從而提高了性能。SBR具有較強的附著力和特殊的三維結構，可作為粘結劑骨架。PAM的剛性較好地限制了SiOx粒子的過度膨脹，縮短了離子遷移。這些結果表明，水結合劑PSP663三維增強SiOx負極具有良好的實際應用前景，為解決矽材料的膨脹問題提供了參考。
圖5. (a-c)含有SBR、PS和PSP663的負極中SiOx顆粒的結構演化，r1、r2、r3是SiOx粒子在三個不同粘結劑的負極上的膨脹半徑；(d) 不同粘結劑電化學性能對比.
T. Kang, J. Chen, Y. Cui, Z. Wang, H. Xu, Z. Ma, X. Zuo, X. Xiao, J. Nan. Three-dimensional rigidity-reinforced SiOx anodes with stabilized performance using an aqueous multicomponent binder technology. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019. DOI: 10.1021/acsami.9b08389. (Article in press)
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.9b08389
6. Polyanion and cation co-doping stabilized Ni-rich Ni–Co–Al material as cathode with enhanced electrochemical performance for Li-ion battery
通過聚陰離子和陽離子共摻雜的策略，提高了高鎳Ni-Co-Al材料作為鋰離子電池正極的穩定性和電化學性能
翻譯：馬超傑
層狀高Ni過渡金屬氧化物作為鋰離子電池的高容量正極材料發揮著巨大潛力。然而，鋰化/去鋰化過程的結構破壞阻礙了正極材料的商業化應用。本文將PO43-聚陰離子和Mn4+陽離子共摻雜到高Ni的LiNi0.80Co0.15Al0.05O2正極材料中，以改善結構穩定性和電化學性能。文中系統地研究了PO43-和Mn4+共摻雜對鋰化/去鋰化過程中相，晶體結構，元素價態，電化學性能和相變的影響。結果表明，適當含量的PO43-和Mn4+共摻雜可以擴大Li+離子鋰化/去鋰化的通道，降低陽離子混合，並且抑制循環過程中的結構破壞。由於Mn4+和PO43-的共摻雜有促使正極材料穩定的作用，尤其是在惡劣條件下，具有適量摻雜的正極材料展示出增強的電化學性能。在2.7-4.3V，3％PO43-和Mn4+共摻雜正極材料在0.1C展示出204mAhg-1的可逆放電容量，很好的循環穩定性，在1C的倍率容量為174mAhg-1經過100次循環後容量保持85.5％，特別指出，在5C的倍率下仍有157.8mAhg-1的放電容量。即使在55℃的高溫下，正極在1C的倍率100次循環後仍保持初始容量(195mAhg-1)的80.9％。
圖6. (a)材料合成的示意圖和相應的晶體結構; (b) NCA,NCA-PM1和NCA-PM3的XRD和精修圖; (c)25°C相應的NCA,NCA-PM1和NCA-PM3電化學性能圖.
L. Qiu, W. Xiang, W. Tian, C.-L. Xu, Y.-C. Li, Z.-G. Wu, T.-R. Chen, K. Jia, D. Wang, F.-R. He, X.-D. Guo. Polyanion and cation co-doping stabilized Ni-rich Ni–Co–Al material as cathode with enhanced electrochemical performance for Li-ion battery. Nano Energy, 2019, 63, 103818. DOI:org/10.1016/j.nanoen.2019.06.014
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S221128551930518X
7. Electrolytic vascular systems for energy-dense robots
高能量機器人的電解血管系統
翻譯：張凱倫
現代機器人設計缺少生物體中的多功能協同系統，因此降低了其效率與自動化程度。在機器人體積、結構和材料等條件限制下，提升儲能系統能力是多功能生物機器人自動化的關鍵。本文提出了自由水中軟體機器人的集成高能量密度「血液」循環系統，集成液流電池儲能、液壓傳輸和生物驅動功能。高能量密度保證機器人能夠最長運行36小時，結構設計與柔性材料讓血管系統可以適應複雜形態變化。本工作在液壓流體中加入電化學儲能體系的思想可以促進未來機器人的高能量度、自主高效和多功能設計。
圖7.多功能鋅離子液流電池功能的」獅子魚」機器人: (a) 機器人結構效果圖, 紅色陰離子電解液在尾鰭中, 背鰭和胸鰭用黃色標出；(b) 鋅離子液流電池原理; (c) 製造的機器水中運動實景照.
C. A. Aubin, S. Choudhury, R. Jerch, L. A. Archer, J. H. Pikul, R. F. Shepherd. Electrolytic vascular systems for energy-dense robots. Nature, 2019, 571, 51-57. DOI: 10.1038/s41586-019-1313-1
https://doi.org/10.1038/s41586-019-1313-1
8. Lattice and electronic structure variations in critical lithium doped nickel oxide thin film for superior anode electrochromism
優異的正極電致變色材料——鋰摻雜氧化鎳薄膜的晶格和電子結構變化
翻譯：韓雨
近年來電致變色正極材料在電子、光子、儲能等領域的應用引起了廣泛的關注。但對於性能優化機理和電致變色工藝的認識有限，仍是制約該類材料發展的瓶頸。文中展示了一種新型的鋰摻雜氧化鎳薄膜，該薄膜具有臨界結構，可以通過一步濺射工藝合成，是電致變色器件的優良正極材料，具有優良的深色段著色能力(是氧化鎳薄膜的三倍)，透射比大(接近70%)，電荷電容高(13mFcm-2)。在這種摻雜薄膜的電致變色過程中觀察到顯著的晶格膨脹/收縮。本文通過檢測電子結構變化，利用理論計算揭示了鋰摻雜引起的電子缺陷態的存在，有效地減小了氧化鎳的帶隙，有利於漂白和著色。這一發現為今後電致變色材料和器件的實際應用提供了新的思路。
圖8. NiO和Li-NiO薄膜的製備及其性能: (a)製備Li-NiO薄膜的示意圖; Li-NiO薄膜在(b)漂白狀態和(c)著色狀態中的圖像(薄膜尺寸為4×4 cm2，漂白和著色過程在1M LiClO4-PC溶液中測試，分別施加-1.5 V 電壓30 s和+1.5 V電壓 30 s(vs Ag/AgCl)); (d)當外加電壓為-1.5 V和+1.5V (vs Ag/AgCl)，掃描速率為100 mV/s時，NiO和Li-NiO薄膜的循環伏安圖(CVs)和(e)相應的透射率變化.
Y. He,T. Li, X. Zhong, M. Zhou, G. Dong, X. Diao. Lattice and electronic structure variations in critical lithium doped nickel oxide thin film for superior anode electrochromism. Electrochim. Acta, 2019, 316, 143-151. DOI:10.1016/j.electacta.2019.05.112
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S001346861931045X?via%3Dihub
9. Ice as solid electrolyte to conduct various kinds of ions
可進行多種粒子傳輸的固態電解質冰
翻譯：徐杲
水作為一種可溶解鹽的普遍溶劑，已經被廣泛地在電化學器件中作為液態電解質研究。水/冰相在0℃的轉變是自然中普通的現象，然而有關冰的化學、電化學行為很少被研究。本文通過第一性原理計算了Cu2+在冰晶格中的兩種擴散路徑，計算得到兩種路徑的活化能分別為0.35eV和0.44eV，與石榴石型Li7La3Zr2O12固態電解質的0.32 eV相近。這一理論指導表明，金屬離子可以通過電場驅動，在冰晶中傳輸。作者通過超快速冷凍水溶液，開發了一系列新型低溫固態離子導電冰(ICI)，在-20℃至-5℃溫度範圍內，冷凍含有不同陽離子的硫酸鹽(Li+，Na+，Mg2+，Al3+，K+，Mn2+，Fe2+，Co2+，Ni2+，Cu2+和Zn2+)得到的ICI離子電導率範圍為10-7 S cm-1的(Zn2+)~10-3S cm-1(Li+)。此外，研究團隊還在-40.0℃和-15.0℃的溫度範圍內測試了一組基於硝酸鹽和氯化物的ICI，使用基於CuSO4的ICI，可以實現金屬的電化學沉積。ICI的高離子導電性使得其成為一種極有前途的固態電解質新材料體系，而通過簡單地冷凍鹽水溶液獲得功能性冰材料為固態電化學及其實際應用開闢了新的途徑。
圖9. 關於Cu2+在ICI晶格中的DFT計算結構示意. (a)冰晶格結構；(b)兩種路徑的DFT勢壘計算；(c)(d)Cu2+的兩種輸運路徑示意.
Z. Guo, T. Wang, H. Wei, Y. Long, C. Yang, D. Wang, J. Lang, K. Huang, N. Hussain, C. Song, B. Guan, B. Ge, Q. Zhang, H. Wu. Ice as solid electrolyte to conduct various kinds of ions. Angew. Chem. Int. Edit., 2019. DOI: 10.1002/anie.201907832 (Article in press)
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.201907832
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