研在合工大 | 礦床、材料等領域新進展

目錄

1.斑巖型銅金礦床研究領域

2.高比能鋰離子電池研究領域

3.功能介電復合材料研究領域

斑巖型銅金礦床研究領域

加強銅金礦產資源的科學研究和找礦勘查工作，確保國家銅金資源的安全供應，是當今地球科學面臨的重要任務。斑巖型銅金礦床是全球最重要的銅金礦床類型之一，也是礦山企業和礦床學家最青睞的勘查和研究對象，長期以來被認為主要形成于與洋殼俯沖作用相關的島弧或陸緣弧環境。然而，近年來的研究表明，斑巖型銅金礦床也可產于非弧環境中，如后俯沖、碰撞造山及陸內環境。這類非弧型礦床由于缺乏洋殼俯沖所提供的外源氧化劑，其成礦巖漿如何獲得高氧化性并釋放金屬，一直是國際礦床學研究的核心科學問題。

近日，資源與環境工程學院周濤發教授團隊聯合加拿大湖首大學、澳大利亞塔斯馬尼亞大學、澳大利亞國立大學以及中國科學院地球化學研究所等單位，在國際著名期刊《通訊-地球與環境》（Communications Earth & Environment）發表了最新研究成果。該研究以長江中下游成礦帶的沙溪斑巖型銅金礦床為研究對象，綜合運用全巖地球化學、礦物化學及同位素等多種手段，系統揭示了非弧環境下巖漿氧化與金屬富集之間的耦合機制。

研究表明，沙溪礦床根植于一個富硫化物、偏還原的新元古代弧巖漿下地殼，該地殼單元富集了大量銅和金等金屬。在白堊紀時期，一股新的高氧化性基性巖漿侵入并“沖刷”了這一還原性根區，使其中的硫化物發生氧化分解，釋放出銅、金等金屬元素，并隨巖漿遷移至上地殼形成成礦巖體。這一過程的證據被完整地記錄在輝石、鋯石、尖晶石及斜長石的生長環帶中。

研究指出，富金屬較還原的下地殼或巖石圈地幔雖然是形成非弧型斑巖礦床的必要條件，但并不足以單獨形成斑巖銅金成礦系統。只有當新的高氧化性巖漿注入并與其發生反應時，才能實現金屬的氧化釋放與向上轉移。這一發現不僅揭示了非弧環境下巖漿氧化的內在驅動力，為理解地殼深部金屬再活化與遷移提供了新的理論框架，也為非弧環境斑巖型銅金礦床的找礦勘查提供了新的理論支持。

資環學院王世偉副教授為該論文的第一作者兼通訊作者，澳大利亞國立大學Michael Anenburg博士為共同通訊作者，合肥工業大學為第一通訊單位。該研究得到了國家自然科學基金面上項目、重點項目及國家重點研發計劃的聯合資助。

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高比能鋰離子電池研究領域

近日，材料科學與工程學院孫毅副教授、項宏發教授團隊與寧德新能源科技有限公司（ATL）負極團隊以及寧德師范學院王佳偉博士合作，在國際能源材料領域著名期刊《Energy & Environmental Science》（IF=30.8）上發表研究論文。團隊碩士生劉洋為論文第一作者，孫毅、項宏發、王佳偉為論文共同通訊作者，合肥工業大學為第一通訊單位。

硅負極因其高達3579mAh·g?1的理論比容量（約為傳統石墨負極的十倍）和0.4V（vs Li/Li?）的低鋰化電位，被公認為是下一代高能量密度鋰離子電池的負極材料。然而在大規模實用化之前，其仍有兩大挑戰需要解決：一是循環過程中巨大的體積變化（>300%），造成硅顆粒開裂及從極片上粉化脫落。另一個是硅顆粒表面不穩定的固體電解質界面（SEI）反復重構，致使電池中電解液持續分解和活性鋰不可逆損失。這些問題導致硅負極在使用過程中出現庫侖效率低下且容量快速衰減的現象。

為解決上述問題，研究人員在不同維度（活性材料、電極和電解質）提出了多種改進策略。實驗室研究已證明，LiF在穩定電極/電解質界面上表現出顯著效果。與有機組分相比，LiF與硅顆粒的結合較弱，可以緩沖循環過程中負極的應力/應變，從而有效抑制硅負極膨脹。此外，其電子絕緣特性也減少了電解質在負極表面的分解。但是依賴電解液添加劑在負極表面還原分解生成富LiF界面層的傳統方法常伴隨有副反應產物的生成，不利于硅負極性能的改善發揮。因此如何實現均一LiF保護層在硅基顆粒表面的均勻包覆，以及探尋富LiF界面在實際電池中的作用是開發下一代高能量密度鋰離子電池的關鍵。

為此，團隊提出了一種"預鋰化/原位氟化"協同創新策略：利用氟化試劑在預鋰化硅顆粒表面的還原反應，構建高純度、致密堆積的人工LiF界面保護層。通過在扣式半電池和軟包全電池中的測試，并結合原位共聚焦光學顯微鏡和有限元分析計算表明：該LiF保護層不僅能夠有效地穩定硅負極/電解質界面，還可以均勻化鋰離子通量，促進鋰離子在界面傳輸。這種工程化的界面層在長期循環過程中保持了其結構完整性，有效緩解了硅基電極在充放電過程中的劇烈體積變化。組裝的Si/C||NCM811全電池在室溫1°C下循環1000次后容量保持率達94.5%；60°C下儲存7天容量保持率為94.9%，45°C循環650次后容量保持率為80.8%。

該工作提出了一種構建負極人工界面層的新策略，為解決高應變負極界面失穩的關鍵難題提供了新思路，也為開發高能量密度、寬溫區范圍的鋰離子電池提供了理論基礎和實驗驗證。

圖1 改性硅基負極制備過程示意圖及結構形貌表征

圖2 改性前后的硅基負極在循環過程中的形貌演變及膨脹變化

本研究得到國家自然科學基金、安徽省重點研發計劃、安徽省重大科技項目以及中央高校基本科研業務費專項資金的資助，以及合肥啟宸新能科技有限公司、中國石化上海石油化工研究院的支持。

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功能介電復合材料研究領域

近日，電氣與自動化工程學院高電壓與絕緣技術團隊青年教師還獻華在功能介電復合材料研究領域取得系列新進展。相關成果發表在國際著名學術期刊《Advanced Functional Materials》和《Small》上。

介電材料通過調控電場分布、儲存電能以及傳遞電磁信號，在電子與電磁系統中發揮著核心作用。它們被廣泛應用于電容器、天線、傳感器、絕緣系統以及高頻通信器件中，其性能直接影響能量密度、響應速度、電磁兼容性及系統整體穩定性。傳統上，介電材料研究主要集中于提升靜態性能指標，如介電常數、絕緣強度與熱穩定性，以保證穩態工況下的可靠運行。然而，隨著柔性電子、智能通信與多功能電磁裝備的快速發展，介電材料的性能需求正被重新定義，新一代應用亟需材料具備可調控、可響應的動態介電特性。

針對這一前沿方向，課題組聯合復旦大學呂華梁教授、北京化工大學賈曉龍教授等研究團隊，系統梳理了外場刺激響應型復合材料在動態介電工程中的研究進展，提出了“組成–結構–納米機制–功能”的多尺度設計框架，揭示了電、熱、力等多物理場作用下介電復合材料極化特性、電荷遷移與界面重構等動態調制機理。研究從材料設計邏輯、微觀機理到介電性能動態調控策略進行了系統總結，并展望了未來基于多尺度建模與人工智能輔助設計的研究方向。該成果為構建具有實時可調性、可編程性和多功能集成的下一代智能介電復合材料提供了理論基礎和設計思路。

圖 動態介電復合材料的設計策略、調控機制與應用領域

在先進介電復合材料設計方面，團隊提出了一種基于界面電荷遷移的極化強度調控策略。該研究首先通過引入氧化鋅納米線界面相以協同實現碳纖維增強環氧復合材料的阻抗匹配優化、電磁損耗增強、界面結合強化；同時，通過精細調控碳纖維表面化學官能團，進一步強化碳纖維–氧化鋅界面電荷遷移能力，從而實現極化強度與界面結合的協同提升。該策略有效解決了介電性能與機械性能之間的矛盾，實現了先進結構-功能一體化復合材料的設計與制備。

以上研究工作得到了國家自然科學基金、中央高校基本科研業務費以及安徽省自然科學基金等資助。

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來源 | 資源與環境工程學院 材料科學與工程學院

電氣與自動化工程學院

圖片 | 呂昊波

編輯 | 葉淑嫻

責編 | 衛婷婷

投稿郵箱 | hfutxcb404@163.com

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