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材料设计与计算研究部是2019年5月份沈阳材料科学国家研究中心正式启动建设的一个新的研究部。
机构简介
沈阳材料科学国家研究中心(以下简称“国家研究中心”)作为我国首批建设的6个国家研究中心之一，是在原沈阳材料科学国家(联合)实验室和已形成优势学科群基础上，依托中国科学院金属研究所(以下简称“金属所”)组建而成。国研中心主管部门为中国科学院，首届国研中心主任为卢柯院士[1]。
研究工作
材料设计与计算研究部由国研中心于2019年5月正式启动建设。主要围绕计算材料学学科方向开展研究工作，研究和开发相关材料计算模拟的模型、方法、算法和计算软件(程序)；结合多尺度、高通量计算与模拟、大数据[2]、机器学习和智能设计前沿工具和材料基因组工程的思路，实现计算和数据驱动解析材料成分-结构-性能关系，高效低耗地探索和发现高性能结构和新兴量子功能材料，强调计算向导的实验验证与新材料研发。
本研究部结合多尺度、高通量计算与模拟、大数据、机器学习和智能设计，利用计算和数据驱动解析材料成分-结构-性能关系，高效低耗地探索和发现高性能结构和新兴量子材料，强调计算向导的实验验证。目标瞄准计算材料学的学科前沿，解决多组元合金的多尺度的计算关键科学问题，推动学科发展。
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混合电荷存储机制器件理论的新进展
混合电荷存储机制的器件结合了二次电池和电化学电容器的电荷存储机制，理论上同时具备高容量、高功率和长循环寿命的优势，是一种理想的储能器件。然而，混合电荷存储机制器件的性能取决于正负极的性能集成，不同机制间的差异导致了电极间的失配问题。此外，受限于正负极的相互影响、制约关系使得各性能难以同时匹配优化，从而限制了器件的实际性能发挥。尽管近年来对电极材料的优化和探索，有效地缓解了混合电荷存储机制器件所面临的失配问题，但仍然缺乏电化学角度的器件设计思路和分析方法。
近日，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心先进炭材料研究部新型电化学能源材料与器件课题组，在前期电容器器件调控方法和电极匹配策略研究的基础上（Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 3722-3725; J Mater. Chem. A, 2021, 9, 3360-3368），提出了混合电荷存储器件电极的耦合与匹配理论，从电化学角度，系统性地分析了电极各性能匹配设计时所面临的耦合问题与解决策略，为混合电荷存储器件的设计与开发提供了新思路。
在该工作中，提出了电位“自匹配”的概念，是影响电极动态电化学过程的关键，而前期研究中提出的“零电压电位”则是平衡电极容量发挥的主要因素（图1）。通过详细分析电化学测试中的自匹配过程和零电压电位变化，讨论了电极容量、动力学和循环寿命等性能参数间的耦合关系，给出了器件设计中面临的挑战与相应的解决策略。针对实际应用中，具有复杂电化学行为的典型电化学体系，进行了更加深入的电化学过程分析，证明了耦合与匹配理论的实用价值。基于以上思考，提出了混合电荷存储器件未来的设计与研究方向，指明了利用机器学习等新方法进行耦合与匹配研究的广阔前景，从新角度为电化学储能材料和器件的发展提供了思路。