Controlling Reversible Expansion of Li2O2 Formation and Decomposition by Modifying Electrolyte in Li-O2 Batteries

锂空电池分别使用空气中的氧气和金属锂作为正负极活性材料，具有极高的能量密度。但是，这一体系尚不能实现商业化的应用，其中一些关键问题未能解决。由于其正极活性材料是气体，使得电化学反应涉及气-液-固三相界面，电极过程十分复杂。与其它二次电池相比，空气电极需要考虑结构因素和催化因素。不仅要改善氧气电化学反应的动力学迟缓问题，还要考虑放电产物的驻留空间问题。董全峰教授课题组在前期开展了基于空气电极固相表面电催化研究，并结合电极结构方面的问题，构筑了有利于氧气发生反应的仿生开放式结构电极。 该研究工作主要由化学化工学院2015级iChEM直博生林晓东（第一作者）在董全峰教授、郑明森副教授和龚磊副教授的共同指导下完成，理论计算由袁汝明助理教授（共同第一作者）完成，曹勇、丁晓兵、蔡森荣、韩博闻等学生参与了部分工作。周志有教授和洪宇浩博士生在电化学微分质谱方面给予大力的帮助与支持。【Abstract】The aprotic lithium-oxygen (Li-O2) battery has attracted worldwide attention because of its ultrahigh theoretical energy density. However, its practical application is critically hindered by cathode passivation, large polarization, and severe parasitic reactions. Here, we demonstrate an originally designed Ru(Ⅱ) polypyridyl complex (RuPC) though which the reversible expansion of Li2O2 formation and decomposition can be achieved in Li-O2 batteries. Experimental and theoretical results revealed that the RuPC can not only expand the formation of Li2O2 in electrolyte but also suppress the reactivity of LiO2 intermediate during discharge, thus alleviating the cathode passivation and parasitic reactions significantly. In addition, an initial delithiation pathway can be achieved when charging in turn; thus, the Li2O2 products can be decomposed reversibly with a low overpotential. Consequently, the RuPC-catalyzed Li-O2 batteries exhibited a high discharge capacity, a low charge overpotential, and an ultralong cycle life. This work provides an alternative way of designing the soluble organic catalysts for metal-O2 batteries.This work was supported by the National 973 Program (2015CB251102), the Key Project of National Natural Science Foundation of China (21673196, 21621091, 21703186, 21773192),and the Fundamental Research Funds for the Central Universities (20720150042,20720150043). The authors thank Prof. Eric Meggers at Philipps-Univeristaet Marburg for his discussion about the synthesis of RuPC complex; Prof. Gang Fu at Xiamen University for his instructive discussions in DFT calculations; Lajia Yu and Dandan Tao at Xiamen University for their assistance in EPR experiments and UV-Vis spectroscopy experiments, respectively; and Yu Gu and Tao Wang at Xiamen University for their discussions in XPS results and CV data,respectively. 该工作得到科技部重大基础研究计划（项目批准号：2015CB251102）、国家自然科学基金（项目批准号：21673196、21621091、21703186、21773192）和中央高校基本科研业务费专项资金（项目批准号：20720150042、20720150043）的资助。 此外，感谢傅钢教授在理论计算方面的讨论和建议，Eric Meggers教授在配合物合成上的讨论，泉州师范学院吴启辉教授和化学化工学院谷宇博士生在X射线光电子能谱方面的帮助，于腊佳老师在电子顺磁共振实验上的帮助，陶丹丹博士生在紫外可见光谱测试上的帮助以及王韬博士生在循环伏安方面的讨论

Designable ultra-smooth ultra-thin solid-electrolyte interphases of three alkali metal anodes

该研究是在毛秉伟教授和董全峰教授共同指导下，由2014级博士生谷宇、2016级博士生王卫伟、2013级博士生李艺娟等同学通力合作的成果。泉州师范学院吴启辉教授和上海应用物理研究所樊春海研究员分别在X射线光电子能谱表征和同步辐射表征中提供了大力支持。化学化工学院郑明森副教授、颜佳伟教授、吴德印教授、iChEM研究员丁松园博士在实验和理论计算方面给予了大力帮助；田中群教授和郑南峰教授等对此工作提出了宝贵意见。 金属锂是下一代高能量密度二次电池最理想的负极材料之一。在以金属锂作为负极的电池中，锂电沉积过程中枝晶的生长及溶解过程的死锂现象是制约电池库仑效率、稳定性和安全性的重要因素，而金属锂表面的微观平整性及固态电解质界面（SEI）膜的组成和结构及由其所决定的电学和力学性质对锂电沉积和溶解行为有重要影响。 课题组所发展的电化学调控方法可进一步拓展到钠、钾碱金属负极上，形成大范围原子平整的钠、钾表面和超薄超光滑的SEI膜。特别是金属钠平面电极可在2 mA cm–2（1 mAh cm–2）100% Na DOD下稳定循环550周以上且库伦效率近100%。这一基于电化学调控的碱金属表面抛光和SEI膜构筑的方法及多尺度联合表征，为解决碱金属负极问题提供了新的思路，也为开展表面科学基础研究提供高质量的碱金属表面。【Abstract】Dendrite growth of alkali metal anodes limited their lifetime for charge/discharge cycling. Here, we report near-perfect anodes of lithium, sodium, and potassium metals achieved by electrochemical polishing, which removes microscopic defects and creates ultra-smooth ultra-thin solid-electrolyte interphase layers at metal surfaces for providing a homogeneous environment. Precise characterizations by AFM force probing with corroborative in-depth XPS profile analysis reveal that the ultra-smooth ultra-thin solid-electrolyte interphase can be designed to have alternating inorganic-rich and organic-rich/mixed multi-layered structure, which offers mechanical property of coupled rigidity and elasticity. The polished metal anodes exhibit significantly enhanced cycling stability, specifically the lithium anodes can cycle for over 200 times at a real current density of 2 mA cm-2 with 100% depth of discharge. Our work illustrates that an ultra-smooth ultra-thin solid-electrolyte interphase may be robust enough to suppress dendrite growth and thus serve as an initial layer for further improved protection of alkali metal anodes.This work was supported by the MOST projects (2015CB251102, 2012CB932902) and the NSFC projects (U1305246, 21621091, 21473147, 21533006, 21673193). 研究工作得到科技部973计划（项目批准号：2015CB251102、2012CB932902），国家自然科学基金（项目批准号：U1305246、21621091、21473147、21533006、21673193）等项目的资助

中国物理海洋学研究70年：发展历程、学术成就概览

本文概略评述新中国成立70年来物理海洋学各分支研究领域的发展历程和若干学术成就。中国物理海洋学研究起步于海浪、潮汐、近海环流与水团,以及以风暴潮为主的海洋气象灾害的研究。随着国力的增强,研究领域不断拓展,涌现了大量具有广泛影响力的研究成果,其中包括:提出了被国际广泛采用的"普遍风浪谱"和"涌浪谱",发展了第三代海浪数值模式;提出了"准调和分析方法"和"潮汐潮流永久预报"等潮汐潮流的分析和预报方法;发现并命名了"棉兰老潜流",揭示了东海黑潮的多核结构及其多尺度变异机理等,系统描述了太平洋西边界流系;提出了印度尼西亚贯穿流的南海分支(或称南海贯穿流);不断完善了中国近海陆架环流系统,在南海环流、黑潮及其分支、台湾暖流、闽浙沿岸流、黄海冷水团环流、黄海暖流、渤海环流,以及陆架波方面均取得了深刻的认识;从大气桥和海洋桥两个方面对太平洋–印度洋–大西洋洋际相互作用进行了系统的总结;发展了浅海水团的研究方法,基本摸清了中国近海水团的分布和消长特征与机制,在大洋和极地水团分布及运动研究方面也做出了重要贡献;阐明了南海中尺度涡的宏观特征和生成机制,揭示了中尺度涡的三维结构,定量评估了其全球物质与能量输运能力;基本摸清了中国近海海洋锋的空间分布和季节变化特征,提出了地形、正压不稳定和斜压不稳定等锋面动力学机制;构建了"南海内波潜标观测网",实现了对内波生成–演变–消亡全过程机理的系统认识;发展了湍流的剪切不稳定理论,提出了海流"边缘不稳定"的概念,开发了海洋湍流模式,提出了湍流混合参数化的新方法等;在海洋内部混合机制和能量来源方面取得了新的认识,并阐述了混合对海洋深层环流、营养物质输运等过程的影响;研发了全球浪–潮–流耦合模式,推出一系列海洋与气候模式;发展了可同化主要海洋观测数据的海洋数据同化系统和用于ENSO预报的耦合同化系统;建立了达到国际水准的非地转(水槽/水池)和地转(旋转平台)物理模型实验平台;发展了ENSO预报的误差分析方法,建立了海洋和气候系统年代际变化的理论体系,揭示了中深层海洋对全球气候变化的响应;初步建成了中国近海海洋观测网;持续开展南北极调查研究;建立了台风、风暴潮、巨浪和海啸的业务化预报系统,为中国气象减灾提供保障;突破了国外的海洋技术封锁,研发了万米水深的深水水听器和海洋光学特性系列测量仪器;建立了溢油、危险化学品漂移扩散等预测模型,为伴随海洋资源开发所带来的风险事故的应急处理和预警预报提供科学支撑。文中引用的大量学术成果文献(每位第一作者优选不超过3篇)显示,经过70年的发展,中国物理海洋学研究培养了一支实力雄厚的科研队伍,这是最宝贵的成果。这支队伍必将成为中国物理海洋学研究攀登新高峰的主力军

Temporal Statistics of Weakly Compressible and Isotropic Turbulence and its Applications to EDQNM Closure

本论文主要研究低马赫数可压缩各向同性湍流的时间统计特性，并在此基础上研究了低马赫数可压缩各向同性湍流能量谱方程的封闭问题。能量谱用于描述湍流的能量级串过程，并可以用于计算大涡模拟的亚格子涡黏、能量耗散率以及湍流动能等与湍流能量传递有关的物理量，因此是湍流研究中最重要的物理量之一。根据Navier-Stokes方程推导出的湍流统计量(包括能量谱)的控制方程是不封闭的，在对其进行封闭时会发现时间尺度起着关键的作用：Navier-Stokes方程包含湍流的演化历史，而由此导出的统计方程经过封闭之后在统计定常的条件下可以不依赖于演化历史，因此在对统计方程进行封闭时需要引入刻画湍流演化历史的时间尺度。 本文采用泰勒级数展开方法来研究时间关联及其时间特征尺度，并根据Navier-Stokes方程解析地计算出了时间关联的微分时间尺度(泰勒时间微尺度)。根据得到的时间特征尺度，本文着重研究了可压缩湍流的时间统计特性，特别是可压缩性(声波效应)对时间尺度的影响。在此基础上，本文发展出针对低马赫数弱可压缩湍流的EDQNM封闭模型，并计算出了可压缩湍流的能量谱和大涡模拟的亚格子涡黏。根据上述的研究方法和研究思路，本文取得的主要结果和创新点包括： 1. 本文解析地推导出了弱可压缩各向同性湍流中欧拉和拉格朗日微分时间尺度之间的关系式。该关系式为今后进一步研究可压缩湍流的时间统计特性提供了新的工具——本文根据该关系式，在何国威等人最近提出的扫掠波模型的基础上，研究了可压缩湍流中的声波效应对拉格朗日时间关联去关联过程的影响。本文得到结论：在可压缩湍流中，声波的存在将显著改变去关联过程的时间特征尺度，并且使得微分时间尺度和积分时间尺度不再相同。 2. 本文发展出了一个针对弱可压缩各向同性湍流能量谱的EDQNM封闭模型，并计算出了弱可压缩各向同性湍流的能量谱和大涡模拟的亚格子涡黏。将EDQNM封闭方法应用到可压缩湍流的关键是确定其所需要的时间尺度。本文探讨了可压缩湍流EDQNM封闭模型所需要的时间尺度的各种可能取法，最终得到结论：包含黏性效应和声波效应的积分时间尺度可以给出物理意义合理并且与直接数值模拟结果相吻合的能量谱。本文的研究结果表明：弱可压缩湍流中可压缩模态的能量谱满足-7/3标度律，不可压缩模态的能量谱仍然满足-5/3标度律。 3. 根据不可压缩各向同性湍流中拉格朗日时间尺度和欧拉时间尺度之间的关系，本文发展出了一个联系拉格朗日速度结构函数和欧拉速度结构函数的多分形模型。该模型解决了以往的拉格朗日多分形模型与实验以及数值模拟结果在4阶以上不吻合的问题。 4. 本文解析地计算出了不可压缩湍流中速度梯度张量的拉格朗日和欧拉时间特征尺度，并据此研究了速度梯度张量的时间关联的去关联机理，得到了速度梯度张量的欧拉时间尺度和拉格朗日时间尺度之间的关系。本文计算得到的拉格朗日时间尺度是速度梯度张量的封闭模型必需的参数

均匀各向同性湍流中速度和速度梯度的时间尺度

采用准正态分布理论解析计算出了不可压缩均匀各向同性湍流中速度梯度张量的欧拉和拉格郎日时间尺度。从计算结果中可以得到如下结论:(1)对于欧拉时间关联来说,速度和速度梯度具有相同的去关联机制,它们的特征时间尺度由下扫效应确定;(2)对于拉格郎日时间关联来说,速度和速度梯度也具有相同的去关联机制,它们的特征时间尺度由拉伸效应确定。计算得到的速度梯度的拉格郎日时间尺度证实了Meneveau等的猜测,并

中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室;

对低马赫数可压缩各向同性湍流的时间统计性质、能量谱方程的EDQNM封闭问题进行了系统深入的研究:(1)首先用泰勒级数展开方法推导出拉格朗日时间尺度和欧拉时间尺度之间的关系式;(2)然后根据该关系式和swept-wave模型得到了拉格朗日时空关联;(3)最后根据得到的拉格朗日时空关联发展出弱可压缩各向同性湍流的EDQNM封闭模型,并计算出了能量谱和亚格子涡黏系数

外腔可调谐激光器调制特性研究

随着WDM-PON（波分复用-无源光网络）应用中对低成本无色光发射模块需求的日益增长,基于混合集成的小型化外腔可调谐激光器,凭借其实现工艺简单、信号质量好和调谐范围宽等优良特性,受到越来越多的关注。文章在研究分析外腔激光器调制特性的影响因素的基础上,对特定结构的小型化外腔可调激光器进行了实验开发和特性研究,在激光谐振腔腔长对调制带宽的影响方面得到了一些有价值的结论,这可为后期器件开发提供理论支持

Scaling of energy spectra in weakly compressible turbulence

We find an asymptotic expression for the characteristic timescales of decorrelation processes in weakly compressible and isothermal turbulence. This result is used in the Eddy-Damped Quasi-Normal Markovian equation to derive the scalings of compressible energy spectra: (1) if the acoustic waves are dominant, the compressible energy spectra exhibit scaling; (2) if local eddy straining is dominant, the compressible energy spectra are scaled as . Meanwhile, the energy spectra of incompressible components display the same scaling of as those in incompressible turbulence. The direct numerical simulations of weakly compressible turbulence are used to examine the scaling.</p

典型农牧区现代农业发展思路研究——以内蒙古包头市土默特右旗为例

中国农业正处于由传统农业向现代农业转变的关键时期。发展现代农业,是解决"三农"问题的根本出路。农牧交错区是环境变化敏感、生态环境脆弱的区域,也是国家农业发展和治理的重点区域。内蒙古自治区土默特右旗(简称土右旗)是典型的农牧地区。通过对土右旗基础现状的分析,总结现代农业发展的优势、劣势、机遇、挑战,研究现代农业发展的核心战略问题,提出土右旗现代农业发展思路,进而归纳出农牧区现代农业发展的整体思路,为中国农牧地区的可持续发展提供理论借鉴