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本技術(shù)提出了基于多尺度理論模擬結(jié)合深度機器學(xué)習(xí)的一整套解決方案，即利用先進多尺度模擬方法精準(zhǔn)解析SEI原子結(jié)構(gòu)，建立新一代SEI模型，闡明SEI結(jié)構(gòu)和形成機制，完整構(gòu)建SEI與電池性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，定向設(shè)計符合不同商用條件的新型電解液配方，為開發(fā)新一代高能量密度電池提供可能。 一、項目分類 顯著效益成果轉(zhuǎn)化 二、技術(shù)分析 隨著智能手機、筆記本電腦等消費電子產(chǎn)品的快速發(fā)展，鋰離子電池（Lithium Ion Battery, 簡寫為LIB）已經(jīng)成為最成功的電化學(xué)儲能設(shè)備之一，并從根本上影響并改變了人們的日常生活方式。隨著制造工藝的逐步成熟，LIB的能量密度已經(jīng)接近其理論極限。另一方面，可移動電子設(shè)備的快速普及和汽車電動化的蓬勃發(fā)展也不斷要求開發(fā)具有更高能量密度的充電電池以滿足實際使用的需求，而最先進的LIB依然無法完全滿足上述需求。因此，尋找更高能量比的鋰電池電極材料，加快下一代新型鋰電池關(guān)鍵技術(shù)的相關(guān)研究，已成為制約鋰電池技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展進步的關(guān)鍵問題。鋰金屬電池的能量密度雖足以達到下一代電動車的要求，但其自身的穩(wěn)定性仍令人擔(dān)憂，這主要是因為Li金屬的反應(yīng)活性過高，其幾乎可與所有的電解液均能自發(fā)地發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。在電池的運行過程中，Li電極和電解液之間通過自發(fā)化學(xué)反應(yīng)和電化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致了固體電解質(zhì)界面（solid electrolyte interphase，SEI）的形成。當(dāng)所形成的SEI結(jié)構(gòu)不均勻時會誘發(fā)電池體積膨脹，此外，充放電過程中鋰的不均勻沉積會導(dǎo)致鋰枝晶的形成，鋰枝晶的不規(guī)則生長會刺穿SEI，導(dǎo)致SEI膜發(fā)生破裂，并產(chǎn)生死鋰，降低鋰金屬電池庫倫效率；更嚴(yán)重的是，鋰枝晶的不斷生長會刺穿隔膜，造成電池內(nèi)部的短路，導(dǎo)致火災(zāi)和爆炸等安全事故，大大縮短了電池的使用壽命，嚴(yán)重阻礙了其大規(guī)模商業(yè)化發(fā)展。因此，SEI對LMB的性能具有至關(guān)重要的影響。良好且穩(wěn)定的SEI可以阻止（或者大幅度減緩）負極界面上反應(yīng)的持續(xù)發(fā)生，起到保護Li電極的作用。針對下一代高穩(wěn)定性鋰金屬電池設(shè)計中存在的關(guān)鍵問題，結(jié)合國際研究進展與本團隊前期研究基礎(chǔ)，我們提出了基于多尺度理論模擬結(jié)合深度機器學(xué)習(xí)的一整套解決方案，即利用先進多尺度模擬方法精準(zhǔn)解析SEI原子結(jié)構(gòu)，建立新一代SEI模型，闡明SEI結(jié)構(gòu)和形成機制，完整構(gòu)建SEI與電池性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，定向設(shè)計符合不同商用條件的新型電解液配方，為開發(fā)新一代高能量密度電池提供可能。本方案已形成完整的工作流，相關(guān)自動化軟件已開發(fā)完成并交付使用，且具有完全的自主知識產(chǎn)權(quán)，可用于國內(nèi)外上游電池生產(chǎn)研發(fā)企業(yè)積累原始電池性能數(shù)據(jù)，大范圍篩選有效電解液組分，指導(dǎo)下一代高能量密度鋰電池研制。 我們的技術(shù)優(yōu)勢與創(chuàng)新主要表現(xiàn)在： 1）首次在電池體系中實現(xiàn)了QM與MM的混合模擬與混合加速； 2）在電池體系模擬中實現(xiàn)了開放電子體系對電化學(xué)反應(yīng)的熱力學(xué)和動力學(xué)預(yù)測； 3）在保證精度的前提下，實現(xiàn)了在納米尺度上對真實的實驗SEI結(jié)構(gòu)直接模擬； 4）通過耦合深度機器學(xué)習(xí)，實現(xiàn)了電解液組分大范圍篩選與性能優(yōu)化。

我校協(xié)同育人企業(yè)天津騰領(lǐng)電子科技有限公司基于自研國產(chǎn)化工業(yè)控制系統(tǒng)開發(fā)了設(shè)施農(nóng)業(yè)管控系統(tǒng)，利用邊云協(xié)同控制架構(gòu)，集成以大模型驅(qū)動的作物生長監(jiān)測、環(huán)境精準(zhǔn)調(diào)控、水肥綜合管理等技術(shù)裝備。項目已在多地開展應(yīng)用，開發(fā)了“認領(lǐng)一塊地”等商業(yè)模式。2025年4月7日，天津電視臺新聞頻道《都市報道60分》以《物聯(lián)網(wǎng)遇上菜籃子 解鎖開心農(nóng)場》為題進行了報道。

技術(shù)團隊圍繞污染場地環(huán)境土壤評估與修復(fù)通過環(huán)境修復(fù)新材料及修復(fù) 新技術(shù)的創(chuàng)新融合，實現(xiàn)技術(shù)研發(fā)、技術(shù)服務(wù)、技術(shù)應(yīng)用的協(xié)同創(chuàng)新。通過 研發(fā)環(huán)境修復(fù)新技術(shù)與新產(chǎn)品，通過項目技術(shù)應(yīng)用及推廣已形成一整套污染 場地治理修復(fù)技術(shù)，項目可培育出完整的產(chǎn)業(yè)鏈，并最終有望形成國內(nèi)具有競 爭優(yōu)勢的技術(shù)產(chǎn)業(yè)集群。

熒光技術(shù)是近 20 年來興起的新型分析方法，靈敏度高、適用范圍廣。污水和水體的熒光光譜是多物質(zhì)產(chǎn)生的復(fù)合光譜，它們與水樣唯一對應(yīng)，被稱為“水質(zhì)熒光指紋”，簡稱“水紋”。該法在污染性質(zhì)快速判斷方面具有獨特優(yōu)勢。熒光指紋是水樣內(nèi)蘊特征的反映，還攜帶了有機物總量信息，可作為新型的水質(zhì)表征方法。課題組從 2003年開始從事水紋研究，在清華大學(xué)基礎(chǔ)研究基金、教育部科技重點項目、清華大學(xué)自主研究項目、國家重大水專項等項目資助下，掌握了數(shù)百種水紋，創(chuàng)新性開發(fā)出基于水紋比對的新型預(yù)警和污染識別原理，并研發(fā)出污染預(yù)警溯源儀。獲得 2 項發(fā)明專利，第 16 屆中國國際工業(yè)博覽會高校展區(qū)二等獎。

1 成果簡介我國水污染事故頻發(fā)， 以有機污染為主。現(xiàn)有技術(shù)不能迅速確定污染類型，因此事故發(fā)生后無法迅速采取恰當(dāng)?shù)膽?yīng)對， 是產(chǎn)生重大經(jīng)濟和環(huán)境損失以及負面國際影響的主要原因。為維護水環(huán)境安全，保障人民生活和生產(chǎn)， 需要一種能迅速確定污染類型的、環(huán)境友好的水體有機污染預(yù)警技術(shù)。 水質(zhì)指紋與水樣唯一對應(yīng)， 簡稱水紋。課題組從 2003 年開始從事水紋研究，在清華大學(xué)基礎(chǔ)研究基金、教育部科技重點項目、教育部清華大學(xué)自主研究項目、國家十一五重大水專項等項目資助下， 掌握了上百種水紋，創(chuàng)新性開發(fā)出基于水紋比對的新型污染識別原理，并研發(fā)出有機污染溯源儀，填補了迅速確定污染類型的儀器的空白。該儀器由水紋采集儀、水紋比對軟件和豐富的水紋數(shù)據(jù)庫組成，可以識別數(shù)十種有機污染類型。儀器的特點如下：自動取樣，自動測量，自動比對；數(shù)據(jù)庫設(shè)計人性化，可以自動添加新指紋；數(shù)據(jù)自動保存；水紋采集儀性能穩(wěn)定，使用、維護簡便，當(dāng)儀器光源老化時，自動提示更換等。上述優(yōu)點表明該儀器既適合在線實時監(jiān)測，也可以作為監(jiān)測車和實驗室的專用儀器。查新表明，國內(nèi)外目前尚未發(fā)現(xiàn)有相似原理的儀器。 性能參數(shù)：靈敏度高，信噪比達到 250；完成一次溯源任務(wù)不足 15 分鐘，測量時間短，重現(xiàn)性好；工作溫度/濕度 15-350℃， 45-80%（不可有冷凝現(xiàn)象，350℃以上時濕度為 70%以下)；不加任何試劑，取樣量少，不產(chǎn)生二次污染；連續(xù) 24 小時使用耗電僅數(shù)度，成本低。 圖1 有機污染預(yù)警溯源儀2 應(yīng)用說明2011 年 7 月至 2012 年 3 月，水質(zhì)有機污染溯源預(yù)警儀在京杭運河江蘇蘇州段進行了為期 3 個月的實地連續(xù)測試運行， 儀器檢測出數(shù)次水質(zhì)異常，并及時進行了報警， 現(xiàn)場測試表明，該儀器能夠靈敏、及時地監(jiān)測到污染的發(fā)生和變化， 預(yù)警迅速，并能給污染類型的信息，對于快速確定有針對性的采取污染應(yīng)對措施大有益處。 目前正在太湖水源地進行示范運行。 儀器經(jīng)過了權(quán)威第三方的檢測。3 效益分析由于目前國內(nèi)外尚無同類產(chǎn)品，而污染預(yù)警和溯源的需求比較迫切，因此本儀器具有較大的推廣空間。本儀器價格每臺約 60 萬元。而本儀器運行穩(wěn)定、靈敏。總體上，儀器成本低，維護省，快速，無二次污染， 24 小時連續(xù)使用，運行費每月在 3000 元左右，具有明顯的經(jīng)濟和技術(shù)優(yōu)勢。

化學(xué)化工與材料、生命科學(xué)類等研究與實踐應(yīng)用中，在對樣品進行凍干處理時必須用到冰凍干燥儀，傳統(tǒng)冰凍干燥儀由真空泵（油泵）、制冷壓縮機（-55℃——-60℃）、保護瓶及樣品室等主要部件組成。該設(shè)備的凍干原理是：通過油泵創(chuàng)造一個真空環(huán)境，加速冰凍生物樣品（≤-20℃）中的水分子的升華；通過制冷壓縮機將升華的水分子再次冷凝于-55℃——-60℃的冷阱中，以免與油泵中起密封作用的機油混合。近年來，該設(shè)備的改進主要僅是將樣品冷凍單元并入，實現(xiàn)冷凍、干燥、參數(shù)控制一體化的原位制冷但成本高，不便小規(guī)模市場應(yīng)用。 傳統(tǒng)冰凍干燥儀的不足之處主要體現(xiàn)在以下5個方面：①能耗高，油泵運轉(zhuǎn)、制冷機運轉(zhuǎn)都高耗能；②使用繁瑣，不便捷。機油需要定期更換；③污染嚴(yán)重，這種污染主要是油泵啟動初期，大量油煙從排氣口噴出，造成嚴(yán)重的污染；④不便移動，為了將油煙排到戶外，通常要連接并固定一根長管到戶外，導(dǎo)致移動不便；⑤噪音大、耗能高，自連續(xù)運轉(zhuǎn)的油泵和短時停運的制冷機需耗能并產(chǎn)生大量噪音。 與傳統(tǒng)冰凍干燥儀器相比，本實用新型具有低能耗、低噪音、無污染、便于移動、使用與維護簡單、工作量低等優(yōu)點，在處理不易受溫度制約樣品的小型干燥儀方面有一定的創(chuàng)新性、優(yōu)越性與市場推廣應(yīng)用價值，有持續(xù)性的市場應(yīng)用前景。目前在本單位內(nèi)部實驗室的實際應(yīng)用中取得了良好效果。 圖1.本項目自制的一體式凍干機

一、項目分類 關(guān)鍵核心技術(shù)突破 二、成果簡介 近年來隨著我國生態(tài)文明建設(shè)發(fā)展和長江黃河大保護等政策的頒布實施，高污染行業(yè)逐步關(guān)停，產(chǎn)生大量工業(yè)污染場地。化工行業(yè)退役場地由于其生產(chǎn)工藝復(fù)雜、污染程度較高，亟待合理修復(fù)，降低風(fēng)險，以滿足土地再利用的要求。然而，這些場地通常具有芳烴、石油烴、鹵代物、重金屬等復(fù)合污染特征，難以通過單一技術(shù)一步完成修復(fù)。因此，針對工業(yè)遺留場地有機-重金屬復(fù)合重度污染土壤需要快速修復(fù)的需求。

項目成果/簡介:雙電層對于電化學(xué)界面過程的意義重大，但目前依然對其缺乏足夠的微觀認知。在該工作中，結(jié)合第一性原理分子動力學(xué)方法和課題組自身發(fā)展的電極電勢計算方法（計算氫標(biāo)準(zhǔn)電極法，Phys. Rev. Lett. 2017, 119, 16801），程俊教授等人模擬得到了不同電位下的Pt(111)/水溶液界面結(jié)構(gòu)，在深入分析結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)了化學(xué)吸附水的覆蓋度在Pt(111)表面隨電位變化遵循Frumkin等溫吸附的規(guī)律。更進一步，通過理論推導(dǎo)證明了該化學(xué)吸附水覆蓋度隨電位的變化會對電化學(xué)界面造成一個負電容的貢獻，這拓展了經(jīng)典的雙電層模型對于電化學(xué)界面的理解。同時，該負電容能夠明顯增大緊密層電容，并且在零電荷電位附近形成一個峰，這很好得解釋了電化學(xué)實驗中觀察到的“鈴鐺狀”的微分電容曲線，解決了這一困擾基礎(chǔ)電化學(xué)工作者多年的一個疑問。該工作將為深入理解界面電催化的微觀機制提供重要幫助，并有望為雙電層超級電容器的設(shè)計提供了新思路。

復(fù)雜信息系統(tǒng)人機交互數(shù)字界面已成為操作者獲取信息、知識推理、判斷決策的重要手段和操作依據(jù)。復(fù)雜信息系統(tǒng)人機交互界面在軍事、信息安全、地理交通等諸多重要領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代和非常重要的作用。該項技術(shù)首次綜合信息編碼、生態(tài)界面、認知摩擦、認知負荷和態(tài)勢感知等關(guān)鍵理論和技術(shù)，構(gòu)建了復(fù)雜系統(tǒng)信息流的功能結(jié)構(gòu)模型，分析了復(fù)雜系統(tǒng)要素之間的層次結(jié)構(gòu)和內(nèi)聯(lián)屬性的復(fù)雜特征，提出了復(fù)雜系統(tǒng)“界面信息-視覺認知”映射模型的知識表征與規(guī)則推理，揭示了復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)字界面從視覺信息認知到行為決策之間的映射關(guān)系，建立了復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)字界面信息區(qū)塊布局的空間與結(jié)構(gòu)約束機制。本項技術(shù)首次融合腦電、眼動等多維度生理測評技術(shù)，提出了復(fù)雜信息系統(tǒng)數(shù)字界面的可用性評估體系。通過高時空分辨率的腦成像技術(shù)與眼球追蹤技術(shù)相結(jié)合，共同揭示了人類在復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)字界面認知各階段的認知特性，分析了認知失誤、認知困難等問題的生理學(xué)根源。該技術(shù)基于腦電ERP、眼球追蹤等多維度融合的生理測評方法，對設(shè)計優(yōu)化方案進行可用性評估，由此提出復(fù)雜信息系統(tǒng)數(shù)字界面設(shè)計的量化評估體系，提出了可實施的復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)字界面設(shè)計優(yōu)化方案。項目成果已成功運用到海、陸、空、航天等信息化裝備上，全面提升了信息化裝備的人機交互水平，保障了信息化裝備整體性能和水平的充分發(fā)揮，提高了信息化裝備操作績效。取得突出成績。應(yīng)用前景廣闊。

雙電層對于電化學(xué)界面過程的意義重大，但目前依然對其缺乏足夠的微觀認知。在該工作中，結(jié)合第一性原理分子動力學(xué)方法和課題組自身發(fā)展的電極電勢計算方法（計算氫標(biāo)準(zhǔn)電極法，Phys. Rev. Lett. 2017, 119, 16801），程俊教授等人模擬得到了不同電位下的Pt(111)/水溶液界面結(jié)構(gòu)，在深入分析結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)了化學(xué)吸附水的覆蓋度在Pt(111)表面隨電位變化遵循Frumkin等溫吸附的規(guī)律。更進一步，通過理論推導(dǎo)證明了該化學(xué)吸附水覆蓋度隨電位的變化會對電化學(xué)界面造成一個負電容的貢獻，這拓展了經(jīng)典的雙電層模型對于電化學(xué)界面的理解。同時，該負電容能夠明顯增大緊密層電容，并且在零電荷電位附近形成一個峰，這很好得解釋了電化學(xué)實驗中觀察到的“鈴鐺狀”的微分電容曲線，解決了這一困擾基礎(chǔ)電化學(xué)工作者多年的一個疑問。該工作將為深入理解界面電催化的微觀機制提供重要幫助，并有望為雙電層超級電容器的設(shè)計提供了新思路。