魏飞，博士。清华大学化学工程系教授、博士生导师，北京市“绿色化学反应工程和技术”重点实验室主任；科睿唯安全球“高被引科学家”。
研究成果介绍
【研究背景】
硅基复合材料因其具有高理论容量被认为是下一代锂离子电池的理想选择，但因其具有高体积膨胀并且与电解液的副反应加速了容量衰退。硅氧类材料与纯硅材料相比，体积膨胀更小，同时因为表面含氧基团存在，具有更高的结构稳定性及界面电化学惰性。然而，在实际应用中，仍需要进一步改善其自身不足的导电性及不可忽略体积膨胀带来的性能衰减。碳包覆是解决上述问题简单但有效的策略，对于这一类核壳结构而言，整体性能与包覆完整度密切相关。不均匀的包覆仍然会使得活性物质与电解液接触造成明显的性能下降。因此，构建具有良好包覆质量的核壳结构是提高硅氧碳高容量负极的核心，但现在仍然缺乏准确定量的方法及指标评价包覆完整度。更重要的是，包覆完整度如何影响结构稳定性和界面性质，特别是微观结构如何影响宏观电化学性能的构效关系还缺乏深入系统的理解
【成果简介】
清华大学魏飞研究团队与常州硅源新能材料有限公司研发团队合作基于强碱与内核SiOx而不与外壳C的反应特征，提出了碱溶法定量化评价核壳结构SiOx@C负极材料的包覆完整度并引入了碱溶度α作为衡量包覆完整度的定量化指标。通过多种反应后表征系统研究了包覆完整度对于电化学性能的影响机制，深度XPS对于表面SEI成分分析结合及循环后EIS及SEM揭示了内部SiOx溶出造成的活性组分损失是导致整体性能衰减的重要原因。未受保护的活性SiOx与商用电解质LiPF6的接触反应，随碱溶度增加，ICE呈现二次方下降及SEI厚度呈二次方增长与活性物质损失引起的接触界面F含量密切相关，关键副反应产物Li2SiF6含量的线性增加进一步支持了上述观点，最终导致界面阻抗和体积膨胀率的线性增加，相关过程可能是硅氧基负极材料界面失效的主要机制。这项工作推动了对界面失效机理的基本理解，并启发了高性能电极材料合理设计。该文章以Insights into the Coating Integrity and its Effect on the Electrochemical Performance of core-shell structure SiOx@C Composite Anodes为题，发表在国际知名期刊Small methods上。
【图文导读】
1.碱溶反应基本原理，实验设计及热力学、动力学性质分析
▲图1.不同复合材料的包覆完整性方法及评价。a）碱溶法评价包覆完整性的反应示意；b–e）不同复合材料的高分辨TEM图像：b）原始SiOx；c）SiOx@C-1; d）SiOx@C-2; e）SiOx@C-3及f）对应的铝袋产气膨胀状态示意；g）不同复合材料的溶解速率随反应时间而变化。h） 不同温度下碱溶度α变化；i）SiOx（0≤x≤2）与KOH反应的吉布斯自由能变化；j） 不同碱溶度复合物碱溶反应的能垒比较。
2.电化学性能及结构稳定性分析
▲图2.不同碱溶度SiOx@C复合物电化学性能和结构稳定性分析。a）倍率-循环性能；b）容量-电压曲线；c）初始放电容量和ICE比较；d）100次循环后容量保持率和及5A g-1下放电容量比较；e）100次循环后的EIS谱；f-i）100次循环前后不同碱溶度复合电极的厚度对比SEM；j） 碱溶解度与阻抗及电极膨胀率关系。
3.电极表面形貌及化学成分分析
▲图3.循环后电极表面形态和成分分析：a–d）不同碱溶度复合物电极的HRTEM和相应EDS图像：a）
4.活性物质损失分析与界面失效机制理解
▲图4.活性物质损失分析。a）电极表面SEI高分辨率Si 2p XPS光谱(碱溶度从左到右减小）; b）100次循环后碱溶度与SEI中Li2SiF6含量关系。
【总结】
本研究发展了碱溶法进行定量化评价核壳结构SiOx@C复合物负极材料，并提出了碱溶度α作为衡量包覆完整度的定量化指标。对于不同包覆状态SiOx@C复合物，60℃下采用碱溶法测定的碱溶度分别为49.7%，33.8%，7.1%，显示出包覆完整度存在显著差异。对于最低碱溶度复合物，碱溶反应活化能相对于未包覆SiOx提高了2.3倍，并且在不同温度下碱溶度几乎没有明显变化，显示出高包覆完整度复合物具备更好的结构稳定性。更重要的是，通过循环后结构及形貌分析，结合界面化学研究，较为深入展示了包覆完整度对于性能的影响机制。电极/电解质界面F含量随碱溶度下降呈现二次方降低，对应于ICE的二次方上升及SEI厚度的二次方下降。关键副反应产物Li2SiF6在SEI中的含量随碱溶度下降的线性降低更进一步表明提高包覆完整度对于与电解液接触引发的活性物质损失具有更显著的抑制作用，这可能是界面修饰限制界面副反应引发的失效，提高硅基负极性能的核心。因此，对于最低碱溶度复合物可以体现最优的综合性能，并且提出了界面修饰对于抑制活性物质损失导致的界面失效的相关机理。本工作展示了一种简单宏观的手段用于定量化评价核壳结构的包覆完整度，揭示了抑制内部活性材料流失对于抑制界面副反应的重要作用，从构效关系角度对于合理设计高性能核壳结构电极材料提供了更深入的理解。并且，本工作研究思路和策略可以进一步应用于其他类型核壳结构材料的完整度评价。
人物介绍
工作教育经历
1980~1984 华东石油学院炼制系 本科
1984~1987 石油大学化学工程系 硕士
1987~1990 石油大学化学工程系 博士
1990~1992 清华大学化学工程系 博士后
1992~1996 清华大学化学工程系 副教授
1994~1995 加拿大西安大略大学 访问学者
1999~2000 美国Ohio州立大学 访问学者
1996~至今 清华大学化学工程系 教授
研究方向
长期从事流态化、多相反应工程及碳纳米管结构控制与批量生产技术。致力于多相反应器的新概念及新理论研究、研发用于煤及石油化工、纳米材料、清洁能源化学品、环境等领域的新型过程及设备。
魏飞教授在多相流反应工程方面完成了齐鲁4万吨/年5.6米直径反应器新型分布器及高桥化工厂2.8米直径工业反应器新型分布器工业试验，创经济效益5200万元。高密度循环流化床工业中试等大型工业工程项目科研。石化总公司的技术鉴定认为达到国际先进水平。开发的磷光颗粒示踪技术、光纤一维成像分析技术及激光多普勒高浓度测速技术使所从事的气固并流下行床研究及高密度提升管研究取得了很多的进展，其中，气固并流下行床研究经同行专家鉴定认为达到国际领先水平
学术论著
在Science、Nature等杂志发表论文600 余篇， 专著4部，SCI引用50000余次，H因子 97。中国颗粒学会能源颗粒材料专业委员会主任，中国化工学会、 石油学会理事等职。在 Web of Science中的出版物共有439，H指数94，总被引频次46000余次，自2016年-2022年连续7年获得科睿唯安全球“高被引科学家”称号（材料领域）。
近期代表作
1.Xiao Chen, Boyuan Shen, Huiqiu Wang, Hao Xiong, Weizhong Qian, Dali Cai, Shifeng Jin, Xin Liu, Yu Han, Fei Wei*，Single-Molecule van der Waals Compass, Nature, accepted.
2.Yunxiang Bai, Hongjie Yue, Jin Wang, Boyuan Shen, Silei Sun, Shijun Wang, Haidong Wang, Xide Li, Zhiping Xu, Rufan Zhang, Fei Wei*. Super-durable ultralong carbon nanotubes[J]. Science, 2020, 369(6507): 1104-1106.
3.Boyuan Shen1, Xiao Chen1*, Xiaoyu Fan1, Hao Xiong1, Huiqiu Wang1, Yao Wang1*, Fei Wei1*, Resolving atomic SAPO-34/18 intergrowth architectures for methanol conversion by identifying light atoms and bonds, Nature Comm. Accepted.
4.Muhammad Tahir Arslan, Babar Ali, Syed Zulfiqar Ali Gilani, Yilin Hou, Qi Wang, Dali Cai, Yao Wang, Fei Wei*, Selective Conversion of Syngas into Tetramethylbenzene via an Aldol-Aromatic Mechanism, ACS Catalysis,10, 4, 2477-2488
5.Chunhui Yu, Xianqing Lin, Xiao Chen, Lingxiang Qin, Zhexi Xiao, Chenxi Zhang, Rufan Zhang, Fei Wei，Suppressing the Side Reaction by a Selective Blocking Layer to Enhance the Performance of Si-Based Anodes，Nano Letters，20（7）5176-5184.
6.Yunxiang Bai #, Rufan Zhang #, Xuan Ye #, Zhenxing Zhu, Huanhuan Xie, Boyuan Shen, Dali Cai, Bofei Liu, Chenxi Zhang, Zhao Jia, Shenli Zhang, Xide Li *, Fei Wei*. Carbon nanotube bundles with tensile strength over 80 GPa. Nature Nanotechnology, 2018, 13, 589-595.
7.Boyuan Shen, Xiao Chen, Kui Shen, Hao Xiong, Fei Wei*, Imaging the node-linker coordination in the bulk and local structures of metal-organic frameworks, Nature Comm. 2020.11（1）1-8
8.Dali Cai, Hao Xiong, Chenxi Zhang, Fei Wei, Transport Phenomena in Zeolites in View of Graph Theory and Pseudo‐Phase Transition, Small,16(15) 1901979
9.Tahir Arslan Muhammad, Ali Qureshi Babar, Zulfiqar Ali Gilani Syed, Dali Cai, Yunhai Ma, Usman Muhammad, Xiao Chen, Yao Wang, Fei Wei*. Single-Step Conversion of H2 - Deficient Syngas into High Yield of Tetra- methylbenzene. ACS Catalysis, 2019, 9, 2203-2212.
10.Zhenxing Zhu, Nan Wei, Weijun Cheng, Boyuan Shen, Silei Sun, Jun Gao, Qian Wen, Rufan Zhang, Jun Xu, Yao Wang, Fei Wei, Rate-selected growth of ultrapure semiconducting carbon nanotube arrays, Nature communications,2019,10(1)1-8
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