刘凯，清华大学副教授，特别研究员，博士生导师。2009年在吉林大学获学士学位，2014年在清华大学获博士学位，师从张希教授，2014-2019年在斯坦福大学从事博士后研究，师从崔屹院士。曾获《麻省理工科技评论》“35岁以下科技创新35人”中国榜单，《麻省理工科技评论》全球青年科技创新奖，瑞士Dinitris N. Chorafas青年研究奖（全球每年遴选30人）等多项奖励。
刘凯副教授的研究方向主要围绕新能源高分子膜材料（如固态锂电池电解质膜，碱性离子膜）和电池安全材料。
1依靠人体汗液获取能量和发电的可穿戴生物燃料电池（BFC）需要高活性的酶来修饰电极，以进行生物燃料催化和氧化。
然而，生物酶的聚集和脱落导致催化活性位点的覆盖和磨损，使得目前报道的BFC功率密度难以超过1 mW/cm2。增加生物酶负载空间和增加活性位点面积的电极还有待开发。
2024年12月26日，清华大学刘凯教授和电子科技大学向勇教授在国际顶级期刊Energy & Environmental Science发表题为《A 1.6 mW/cm2Lactate/O2Enzymatic Biofuel Cell: Enhanced Power Generation and Energy Harvesting from Human Sweat by 3D Interpenetrating Network Porous Structure CNT-Membranes》的研究论文，刘昊博士为论文第一作者，刘凯教授和向勇教授为论文共同通讯作者。
作者在此提出了一种具有3D互穿分级多孔结构的CNT膜，该结构是通过在乳酸盐/O2BFCs中CNT生物节点的非溶剂诱导相分离而实现的。
互穿多孔结构有利于生物燃料和电解质的快速传质动力学，超低电子传导电阻，均匀稳定地容纳生物酶，并且具有可承受苛刻机械变形的卓越柔韧性。
因此，当CNT生物节点集成到仅含20 mM乳酸盐的人造汗液中具有空气阴极的BFC中时，其功率密度达到1.6 mW/cm2。作为人体汗液能量收集装置，1 cm2的CNT生物节点可以连续运行36.8小时，并收集4953.6 mJ的能量。
此外，该设备能够为高功率蓝牙和传感器集成电路供电，同时还兼容定制的智能手机应用程序，用于实时监控人体心电图。该研究为未来高性能自持续电子器件系统的开发建立了很好的范例。
图1：CNT膜和CNT生物节点的设计
图2：CNT生物节点膜网络的电化学性能
图3：BFCs的空气电极和性能
图4：HSBFC的结构和特征
图5：利用HSBFC为人体心电图监测集成电路供电
A 1.6 mW/cm2Lactate/O2Enzymatic Biofuel Cell: Enhanced Power Generation and Energy Harvesting from Human Sweat by 3D Interpenetrating Network Porous Structure CNT-Membranes.Energy & Environmental Science,2024. https://doi.org/10.1039/D4EE03646H.
2在锂金属电池（LMB）中采用锂金属作为阳极材料为突破传统锂离子电池（LIB）的能量密度极限提供了一条变革性途径。然而，锂金属与传统的碳酸酯基电解质的集成面临着一系列挑战，例如固体电解质界面（SEI）和阴极电解质界面（CEI）在高电压和高倍率下的不稳定性。
为解决这些问题，2014年12月26日，清华大学刘凯教授在Energy & Environmental Science发表题为《Molecular Design of Electrolyte Additives for High-Voltage Fast-Charging Lithium Metal Batteries》的研究论文。Yuekun Lai、Zhiqun Lin、Yu Ou、Wenhui Hou和Da Zhu为论文共同第一作者，刘凯教授为论文通讯作者。
通过密度泛函理论（DFT）、分子动力学（MD）模拟和电化学评估的结合，作者表明VSF能够促进薄、均匀、富含无机物的界面层的形成，从而增强锂离子运输并减轻在高能LMB中通常观察到的降解。
全电池和软包电池的循环实验表明，VSF显著提高了循环稳定性和倍率性能，尤其是在极端条件下。这些发现突显了VSF作为一种有前途的添加剂，有助于推动高性能LMB的商业化发展。
图1：不同添加剂下电池的性能
图2：VSF对锂金属阳极在BE和VSF增强电解质中的性能和稳定性的影响
图3：关于VSF与溶剂化结构和界面层相互作用的计算
图4：不同Li/NMC811电池在极端循环条件下的性能
图5：不同添加剂（VSF、ESF、MVS）对电池性能和界面组成的影响
Molecular Design of Electrolyte Additives for High-Voltage Fast-Charging Lithium Metal Batteries.Energy & EnvironmentalScience(2024).DOI：10.1039/D4EE04282D
