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本技術提出了基于多尺度理論模擬結合深度機器學習的一整套解決方案，即利用先進多尺度模擬方法精準解析SEI原子結構，建立新一代SEI模型，闡明SEI結構和形成機制，完整構建SEI與電池性能之間的內在聯(lián)系，定向設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 顯著效益成果轉化 二、技術分析 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儲能設備之一，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鍵技術的相關研究，已成為制約鋰電池技術產(chǎn)業(yè)發(fā)展進步的關鍵問題。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)定性仍令人擔憂，這主要是因為Li金屬的反應活性過高，其幾乎可與所有的電解液均能自發(fā)地發(fā)生化學反應。在電池的運行過程中，Li電極和電解液之間通過自發(fā)化學反應和電化學反應導致了固體電解質界面（solid electrolyte interphase，SEI）的形成。當所形成的SEI結構不均勻時會誘發(fā)電池體積膨脹，此外，充放電過程中鋰的不均勻沉積會導致鋰枝晶的形成，鋰枝晶的不規(guī)則生長會刺穿SEI，導致SEI膜發(fā)生破裂，并產(chǎn)生死鋰，降低鋰金屬電池庫倫效率；更嚴重的是，鋰枝晶的不斷生長會刺穿隔膜，造成電池內部的短路，導致火災和爆炸等安全事故，大大縮短了電池的使用壽命，嚴重阻礙了其大規(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)定性鋰金屬電池設計中存在的關鍵問題，結合國際研究進展與本團隊前期研究基礎，我們提出了基于多尺度理論模擬結合深度機器學習的一整套解決方案，即利用先進多尺度模擬方法精準解析SEI原子結構，建立新一代SEI模型，闡明SEI結構和形成機制，完整構建SEI與電池性能之間的內在聯(lián)系，定向設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，可用于國內外上游電池生產(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，指導下一代高能量密度鋰電池研制。 我們的技術優(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反應的熱力學和動力學預測； 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結構直接模擬； 4）通過耦合深度機器學習，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)了設施農(nóng)業(yè)管控系統(tǒng)，利用邊云協(xié)同控制架構，集成以大模型驅動的作物生長監(jiān)測、環(huán)境精準調控、水肥綜合管理等技術裝備。項目已在多地開展應用，開發(fā)了“認領一塊地”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。

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

熒光技術是近 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產(chǎn)生的復合光譜，它們與水樣唯一對應，被稱為“水質熒光指紋”，簡稱“水紋”。該法在污染性質快速判斷方面具有獨特優(yōu)勢。熒光指紋是水樣內蘊特征的反映，還攜帶了有機物總量信息，可作為新型的水質表征方法。課題組從 2003年開始從事水紋研究，在清華大學基礎研究基金、教育部科技重點項目、清華大學自主研究項目、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警和污染識別原理，并研發(fā)出污染預警溯源儀。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?shù)膽獙Γ?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警技術。 水質指紋與水樣唯一對應， 簡稱水紋。課題組從 2003 年開始從事水紋研究，在清華大學基礎研究基金、教育部科技重點項目、教育部清華大學自主研究項目、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 有機污染預警溯源儀2 應用說明2011 年 7 月至 2012 年 3 月，水質有機污染溯源預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)過了權威第三方的檢測。3 效益分析由于目前國內外尚無同類產(chǎn)品，而污染預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?？傮w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)濟和技術優(yōu)勢。

化學化工與材料、生命科學類等研究與實踐應用中，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、制冷機運轉都高耗能；②使用繁瑣，不便捷。機油需要定期更換；③污染嚴重，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，導致移動不便；⑤噪音大、耗能高，自連續(xù)運轉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)越性與市場推廣應用價值，有持續(xù)性的市場應用前景。目前在本單位內部實驗室的實際應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 關鍵核心技術突破 二、成果簡介 近年來隨著我國生態(tài)文明建設發(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)工藝復雜、污染程度較高，亟待合理修復，降低風險，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、重金屬等復合污染特征，難以通過單一技術一步完成修復。因此，針對工業(yè)遺留場地有機-重金屬復合重度污染土壤需要快速修復的需求。

項目成果/簡介:雙電層對于電化學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，結合第一性原理分子動力學方法和課題組自身發(fā)展的電極電勢計算方法（計算氫標準電極法，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)/水溶液界面結構，在深入分析結構的基礎上發(fā)現(xiàn)了化學吸附水的覆蓋度在Pt(111)表面隨電位變化遵循Frumkin等溫吸附的規(guī)律。更進一步，通過理論推導證明了該化學吸附水覆蓋度隨電位的變化會對電化學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電化學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計提供了新思路。

復雜信息系統(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域發(fā)揮著不可替代和非常重要的作用。該項技術首次綜合信息編碼、生態(tài)界面、認知摩擦、認知負荷和態(tài)勢感知等關鍵理論和技術，構建了復雜系統(tǒng)信息流的功能結構模型，分析了復雜系統(tǒng)要素之間的層次結構和內聯(lián)屬性的復雜特征，提出了復雜系統(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系，建立了復雜系統(tǒng)數(shù)字界面信息區(qū)塊布局的空間與結構約束機制。本項技術首次融合腦電、眼動等多維度生理測評技術，提出了復雜信息系統(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與眼球追蹤技術相結合，共同揭示了人類在復雜系統(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根源。該技術基于腦電ERP、眼球追蹤等多維度融合的生理測評方法，對設計優(yōu)化方案進行可用性評估，由此提出復雜信息系統(tǒng)數(shù)字界面設計的量化評估體系，提出了可實施的復雜系統(tǒng)數(shù)字界面設計優(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。應用前景廣闊。

雙電層對于電化學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，結合第一性原理分子動力學方法和課題組自身發(fā)展的電極電勢計算方法（計算氫標準電極法，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)/水溶液界面結構，在深入分析結構的基礎上發(fā)現(xiàn)了化學吸附水的覆蓋度在Pt(111)表面隨電位變化遵循Frumkin等溫吸附的規(guī)律。更進一步，通過理論推導證明了該化學吸附水覆蓋度隨電位的變化會對電化學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電化學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計提供了新思路。