成果满满！交大科研新进展
聚焦前沿领域
加快技术攻关
引领开拓创新
为实现高水平科技自立自强
汇聚交大力量
近期，西安交大科研团队在复合固态电解质、高储能低损耗聚合物电介质、高比能锂离子电池、可分析脑细胞异质性因果效应等领域取得重要突破。
快来跟着交小童一起了解交大人的最新科研成果吧！
内容快览
■ 西安交通大学郗凯团队在复合固态电解质领域取得进展
■ 西安交通大学张志成教授团队在高储能低损耗聚合物电介质领域取得重要突破
■ 西安交通大学宋江选教授团队在高比能锂离子电池领域取得新进展
■ 西安交通大学杨铁林教授团队开发可分析脑细胞异质性因果效应的新方法
西安交通大学郗凯团队
在复合固态电解质领域取得进展
研究背景
固态锂金属电池相较传统锂离子电池具有更高的能量密度和安全性，被认为是未来电化学储能器件的主要发展方向，倍受学术界和产业界的关注。固态电池的关键技术是固态电解质，其离子传输动力学、电化学稳定性、电解质/电极界面反应动力学等物理性能决定着固态电池的能量密度、循环寿命以及安全性。有机聚合物电解质在成本、规模化制备、界面性能和力学柔性等方面具有明显的优势，但是仍然面临着一些科学难题无法有效解决，例如低离子电导率(<10-4S/cm)、热稳定性差、机械强度有限等。这些问题不仅限制了聚合物电解质性能的进一步提升，还严重影响着固态电池的发展。
科研创新
鉴于此，西安交通大学郗凯教授和冯国栋教授等人分析总结了具有有序微孔结构的无机功能材料（OMMs）微纳结构有序度对复合固态电解质性能的影响规律并阐明其内在机制。通过从离子传导特性、热传导性能和机械稳定性三个角度对OMMs类材料进行分析，研究团队致力于寻找适用于复合固态电解质的性能优化策略，并提出了不同OMMs所面临的挑战及潜在解决方案。这些研究分析不仅为获取高性能复合固态电解质提供了可靠的设计方案，还为OMMs在未来先进技术节点上的应用提供了可能性。
科研成果
论文题目
《聚合物电解质中的微孔材料：论有序性的优势》（Microporous Materials in Polymer Electrolytes: The Merit of Order）
发表期刊
《先进材料》（Advanced Materials）
文章作者
徐明副教授和硕士研究生李丹阳是本文的共同第一作者。
论文链接
https://doi.org/10.1002/adma.202405079
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团队主页
https://x-group-site.webflow.io/
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西安交通大学张志成教授团队在高储能低损耗聚合物电介质领域取得重要突破
研究背景
脉冲功率电容器作为关键基础元器件广泛应用于电子器件、汽车、航天器和电磁弹射器等装备。相比电池电容器，电介质电容器具有超高功率密度独特优势，而偶极玻璃态聚合物由于其优异的储能密度以及极低的能量损耗更是下一代电子和功率器件的理想材料。现有偶极玻璃态聚合物电介质材料优异的储能性能依赖其高玻璃化转变温度往往导致加工性能不足，普遍存在储能性能与加工性能不可调和的矛盾。如何解耦高储能、低损耗与强韧性之间的矛盾关系是获得优异的储能性能的关键因素。
科研创新
针对这一问题，西安交通大学化学学院张志成教授团队基于理论模拟，设计了一种由氟原子取代的极性苯乙烯（4-氟苯乙烯, 4-FSt）与氟化长链甲基丙烯酸酯（如甲基丙烯酸三氟乙酯, 3FEMA）组成的无规共聚物材料。研究发现，长链侧基与氟原子的协同效应能够协同改善玻璃态聚合物储能与加工性能，其中优化后的聚（4氟苯乙烯-甲基丙烯酸三氟乙酯）共聚物能在相当高的电场（约750 MV/m）下工作，可释放能量密度高达为18.3 J/cm3，能量转换效率超过89%，相比于改性之前的材料加工韧性提升超过112%。且该介电薄膜在300 MV/m电场下经过104充放电循环后表现出良好的抗疲劳特性（η>94%）。
通过引入长链侧基增强加工韧性和极性，同时利用氟效应缓解柔性链段引起的击穿强度下降和能量损失增加，有效解决了玻璃态聚合物优异储能性能与加工性能之间长期存在的矛盾。氟苯乙烯与氟化长链甲基丙烯酸酯共聚，一方面长链侧基的高极性可提高共聚物的介电常数，另一方面引入氟原子能够增强偶极相互作用，提升链间距，从而抑制取向弛豫引起的能量损失。此外，引入具有强吸电子性质的氟原子也被证实可以提高电子捕获能力，从而显著降低漏电传导损耗，提高击穿强度。值得注意的是，引入长链侧基能够增强介电薄膜的自修复性能，有助于提高介电寿命。这项工作利用氟效应来协调玻璃态聚合物的高储能和可加工性之间的冲突，并采用长链侧基来增强韧性和自修复性，成功实现低能量损失和高击穿强度，从而避免与低玻璃化转变温度相关的问题，例如高能量损失和低击穿强度，有效解决储能性能与加工性能不可调和的矛盾。
科研成果
论文题目
《利用氟效应协同改善聚合物电介质的高储能密度、低能量损耗以及优异的加工性能》（Synergistic Enhancement of Dielectric Polymers through Fluorine Incorporation for Improved Energy Storage, Reduced Loss, and Enhanced Processability）
发表期刊
《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）
文章作者
西安交通大学化学学院为第一通讯单位，该论文第一作者为西安交通大学博士研究生程益品，张志成教授和龚红红副教授为论文通讯作者。
论文链接
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202406219
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https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/zhichengzhang
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西安交通大学宋江选教授团队
在高比能锂离子电池领域取得新进展
研究背景
在全球能源科技革新的浪潮中，高比能电池的研发已成为国防军工及社会经济领域不可或缺的一环，能够为特种装备与新能源汽车提供更持久、更稳定的动力支持，对于强化武器装备作战能力、推动社会经济可持续发展具有重大战略意义。高比能电极材料作为提升电池能量密度的关键，其结构稳定性是储能材料领域追求的永恒主题。硅负极具有高比容优势（理论容量4200 mAh/g），有望超越传统体系，大幅提高电池能量密度（＞500 Wh/kg），契合未来储能发展需求。然而，硅负极在电化学过程中物质交换引发结构畸变，导致服役寿命与高比能之间呈现出反向制约关系，严重制约了其规模应用。
科研创新
针对上述问题，宋江选教授团队提出高比能二次电池仿生设计策略，构建了兼具“高强韧-快导锂”的仿贝壳结构硅电极，设计了仿神经网络功能粘合剂，解决了硅电极因大体积膨胀/收缩引发的离子输运失效与结构崩塌问题，揭示力-电多物理场下高比容合金负极稳定化机制，为实用化硅负极提供了理论支撑。
科研成果
论文题目
《仿神经网络粘合剂助力高比容硅负极离子输运和应力释放》（Neural Network Inspired Binder Enables Fast Li-Ion Transport and High Stress Adaptation for Si Anode）
发表期刊
《纳米快报》（Nano Letters）
论文题目
《仿生贝壳结构提升高面容量硅碳负极强韧性》（Biomimetics-Inspired Architecture Enables the Strength–Toughness of Ultrahigh-Loading Silicon Electrode）
发表期刊
《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）
文章作者
以上研究成果以西安交通大学金属材料强度国家重点实验室为第一单位，宋江选教授为论文通讯作者，论文合作成员包括中国航天科技集团第八研究院811所解晶莹总师等人。
论文链接
《Nano Letters》：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c01549
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《Advanced Functional Materials》：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202314058
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https://jxsong.xjtu.edu.cn/
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西安交通大学杨铁林教授团队开发可分析脑细胞异质性因果效应的新方法
研究背景
人脑功能复杂，目前已知多种疾病的成因都与脑组织功能异常相关。近年来，单细胞测序技术的发展使得从单个细胞水平探究分子调控过程成为可能。目前对于脑组织已有了完整的单细胞转录组测序数据，并且通过结合全基因组关联研究（Genome-wide association study, GWAS）结果发现，不同的疾病表型往往拥有不同的脑效应细胞，这提示了疾病相关分子调控过程存在细胞异质性。而以往借助遗传变异推断疾病表型之间因果效应的研究中，仅使用了组织样本来源的数据，忽视了其中的细胞异质性，因而不利于定位真正的效应细胞。
科研创新
针对上述问题，西安交通大学生命学院开发了整合脑单细胞表达数量性状基因座(eQTL)数据，鉴定细胞异质性因果效应的新方法cell-stratified MR (csMR)。该方法首先通过精细定位筛选GWAS和单细胞eQTL的因果变异，随后通过遗传共定位分析鉴定细胞类型特异性共定位信号，识别工具变量；最后利用双样本MR分析判断细胞类型特异性因果效应。通过将这一方法应用于不同的肥胖表型GWAS数据，结果发现BMI可能通过不同的脑细胞调控途径影响其他疾病（如睡眠障碍、冠心病、二型糖尿病、骨质疏松症等）的发生。
另外，通过比较BMI与其他肥胖表型的结果发现，BMI和腰臀比可能通过不同的脑效应细胞影响冠心病和二型糖尿病的发生。此外，体脂率则可能通过少突胶质细胞和少突胶质前体细胞影响关节炎等疾病的发生，而BMI则未发现与关节炎有细胞特异性因果关联，提示不同肥胖表型存在不同的分子调控途径以及不同的脑效应细胞。
科研成果
论文题目
《利用遗传变异对基因表达的细胞类型特异性影响揭示脑细胞异质性因果效应》（Revealing brain cell-stratified causality through dissecting causal variants according to their cell-type-specific effects on gene expression）
发表期刊
《自然通讯》(Nature Communications)
文章作者
该研究由西安交通大学独立完成，论文通讯作者为西安交通大学生命学院杨铁林教授和郭燕教授，西安交通大学生命学院郝若涵助理教授为该论文第一作者。西安交通大学生物医学信息工程教育部重点实验室和生命学院为该论文的第一和通讯单位，西安交通大学第一附属医院为共同通讯单位。
论文链接
https://www.nature.com/articles/s41467-024-49263-4
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