材料設計與計算研究部檢視原始碼討論檢視歷史
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材料設計與計算研究部是2019年5月份瀋陽材料科學國家研究中心正式啟動建設的一個新的研究部。
機構簡介
瀋陽材料科學國家研究中心(以下簡稱「國家研究中心」)作為我國首批建設的6個國家研究中心之一，是在原瀋陽材料科學國家(聯合)實驗室和已形成優勢學科群基礎上，依託中國科學院金屬研究所(以下簡稱「金屬所」)組建而成。國研中心主管部門為中國科學院，首屆國研中心主任為盧柯院士[1]。
研究工作
材料設計與計算研究部由國研中心於2019年5月正式啟動建設。主要圍繞計算材料學學科方向開展研究工作，研究和開發相關材料計算模擬的模型、方法、算法和計算軟件(程序)；結合多尺度、高通量計算與模擬、大數據[2]、機器學習和智能設計前沿工具和材料基因組工程的思路，實現計算和數據驅動解析材料成分-結構-性能關係，高效低耗地探索和發現高性能結構和新興量子功能材料，強調計算嚮導的實驗驗證與新材料研發。
本研究部結合多尺度、高通量計算與模擬、大數據、機器學習和智能設計，利用計算和數據驅動解析材料成分-結構-性能關係，高效低耗地探索和發現高性能結構和新興量子材料，強調計算嚮導的實驗驗證。目標瞄準計算材料學的學科前沿，解決多組元合金的多尺度的計算關鍵科學問題，推動學科發展。
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混合電荷存儲機制器件理論的新進展
混合電荷存儲機制的器件結合了二次電池和電化學電容器的電荷存儲機制，理論上同時具備高容量、高功率和長循環壽命的優勢，是一種理想的儲能器件。然而，混合電荷存儲機制器件的性能取決於正負極的性能集成，不同機制間的差異導致了電極間的失配問題。此外，受限於正負極的相互影響、制約關係使得各性能難以同時匹配優化，從而限制了器件的實際性能發揮。儘管近年來對電極材料的優化和探索，有效地緩解了混合電荷存儲機制器件所面臨的失配問題，但仍然缺乏電化學角度的器件設計思路和分析方法。
近日，中國科學院金屬研究所瀋陽材料科學國家研究中心先進炭材料研究部新型電化學能源材料與器件課題組，在前期電容器器件調控方法和電極匹配策略研究的基礎上（Angew. Chem. Int. Ed., 2013, 52, 3722-3725; J Mater. Chem. A, 2021, 9, 3360-3368），提出了混合電荷存儲器件電極的耦合與匹配理論，從電化學角度，系統性地分析了電極各性能匹配設計時所面臨的耦合問題與解決策略，為混合電荷存儲器件的設計與開發提供了新思路。
在該工作中，提出了電位「自匹配」的概念，是影響電極動態電化學過程的關鍵，而前期研究中提出的「零電壓電位」則是平衡電極容量發揮的主要因素（圖1）。通過詳細分析電化學測試中的自匹配過程和零電壓電位變化，討論了電極容量、動力學和循環壽命等性能參數間的耦合關係，給出了器件設計中面臨的挑戰與相應的解決策略。針對實際應用中，具有複雜電化學行為的典型電化學體系，進行了更加深入的電化學過程分析，證明了耦合與匹配理論的實用價值。基於以上思考，提出了混合電荷存儲器件未來的設計與研究方向，指明了利用機器學習等新方法進行耦合與匹配研究的廣闊前景，從新角度為電化學儲能材料和器件的發展提供了思路。