实验室紧紧围绕新能源新材料领域的科学发展前沿、国民经济发展中的重大需求和国家重点科研任务，深入开展新型能源材料的合成与制备工艺技术的基础和应用基础研究，取得一系列开创性、独具特色的科研成果，开发出系列具有广泛应用前景的新能源材料和新技术。自2013年3月重点实验室建设获批以来，实验室建设坚持“一二三六”的发展思路，即一个中心：以物理学科发展为中心；两个特色：以量子调控和新能源材料研究为特色；三个交叉：加强与材料学、化学和智能测控的交叉与融合；六个方向：量子信息与量子调控、超导材料与工程、储能材料与工程、新型碳基材料及其应用、高效光电子发光材料、太阳能光伏材料。
(1) 量子信息与量子调控。主要开展冷原子物理、量子信息理论及其物理实现、自旋电子学材料与器件、先进功能材料的光电磁和力学等性能的模拟和设计方面研究。主要研究方向和课题选择：①用全量子理论探讨原子—腔光力混合系统中产生动态Casimir效应条件，由动态Casimir效应导致新的量子特性及对原子自发辐射的影响，利用动态Casimir效应实现能量传输与转化；②基于振铃现象的回音壁微腔传感,实验研究掺铒和不掺铒的回音壁微腔振铃现象，实现小尺寸纳米颗粒传感，研究振铃现象及其在纳米颗粒传感中的应用；③通过泛函积分理论和平均场理论研究具有光晶格中自旋轨道耦合的两分量玻色气体的基态相图及相变物理预测新的物相；④研究具有自旋轨道耦合玻色凝聚体对处于其间杂质的影响, 利用线性响应理论计算凝聚体对运动杂质的影响及凝聚体的临界速度；⑤研究自旋轨道耦合和光学谐振腔中超冷玻色原子的超固态，探索连续平移对称性和规范对称性自发破却带来的新物理新现象；⑥研究二维玻色气体在模拟规范场下量子分数霍尔效应，探讨玻色体系量子分数霍尔效应的性质。
(2) 超导材料与工程。聚焦实用型Nb3Al和MgB2等超导材料的成相机理、微观结构与性能调控、磁通钉扎机理以及批量制备技术的研究和设备研发，与西部超导材料公司等合作制成一系列不同结构超导线材。主要研究方向和课题选择：①开展面向未来聚变工程堆（CFETR）先进高场导体应用的低温超导线材工程化制备关键技术研究，掌握高性能 Nb3Sn和Nb3Al超导线材批量化制备工艺用于高场 Nb3Sn和 Nb3Al CICC超导导体的研制，获得两种超导材料批量化制备关键工艺技术；②利用同位素示踪法进行材料腐蚀与杂质迁移行为的研究；③针对杂质的沉积过程，开展激光诱导击穿的远程原位应用研究和检测方法学创新，获取与离子束分析系统相验证的原位快速检测技术，发展杂质定量分析的软件系统；④开展实用化多芯高性能122型铁基超导长线带材制备及其电、磁物理特性调控机理研究。
(3) 储能材料与工程。以高性能储能电池的关键材料、电池材料理论设计、电极材料中试研究为主要研究方向，主要采用一系列材料合成方法设计、全电池结构工艺优化、电池原位表征技术开发等，提高电池的长期循环寿命和大倍率充放电能力，重点探索基于电子电导与离子电导的储能电池性能增强机理。主要研究方向和课题选择：①用第一性原理计算将材料中钠占位、晶格常数、层间距以及过渡金属价态、半径等进行单一变量研究，量化甄别其中影响有/无序结构的关键因数，实验上实现目标有/无序结构的可控制备，制备性能优良的NaxMO2材料；②对实用化NCM||硅碳电池提出热安全性调制的全新策略，以负温度系数热敏电阻材料和高导热金属氮化物等宏量改性NCM材料，对正负电极的界面兼容和导电/导热进行复合调制，从源头上提升锂电池的热安全性和电化学性能；③探究三维基底的微纳结构和表界面电学性质对金属钠负极的电化学沉积作用规律，研究电解液对金属钠负极SEI膜的形成与调控规律；④在阴阳极可互换的电解水反应中引入合成化学设计，开发位点导向自适应合成与再生的酸性水分解电极系统；⑤结合UPS、Raman、XPS、KPFM和EC-AFM等原位表征手段，研究缓冲层不同物理属性下跨正极/电解质界面的电势分布、离子电流分布和化学成分演变等行为，优化设计制备性能优良的全固态电池；⑥通过“自组装→干燥热解→振实”方法实现大容量高性能硅碳材料的可控制备及公斤级量产。
(4) 新型碳基材料及其应用。开展基于还原氧化石墨烯和高分子复合材料的集成传感功能的致动器，以及集成能量存储功能的新型驱动材料；应用化学气相沉积法，发展了生长-刻蚀的技术，可控制备二维石墨烯；研究石墨烯、石墨炔等新型二维材料的电性、磁性和力学性能等。主要研究方向和课题选择：①构建双层异质碳基复合致动材料，研究材料形变的内在机制、各向异性与形变性能的关系，理论结合实验对材料结构进行调控优化实现可控制备具有大形变和复杂形变的致动材料；②在Ti3C2Tx复合材料体系中探索集成传感功能的驱动材料的可控制备，充分发挥复合材料体系的结构和性能可调性，研究结构组分之间的组装规律与协同机制；③结合第一性原理和非平衡格林函数方法研究界面修饰对金属-磷烯接触势垒的影响及其作用机理，探索降低金属-磷烯接触电阻的有效策略；研究介质材料和栅介质-磷烯界面缺陷对介质的介电性及磷烯电输运的影响及其作用机理；④选用 p-Sb2Se3/n-Sb2S3 二维异质结为模型，研究各向异性/各向异性二维异质结的可控生长及各向异性调控机理。
(5) 高效光电子发光材料。研究在玻璃中生长出卤素混杂量子点发光；设计的镧系掺杂核@多壳纳米结构，研究上下转换结合可以在宽光谱范围内产生用于复杂信息存储的多色双模态发光；精确控制核和不同壳层中镧系掺杂离子的种类与分布，实现紫外光多模激发。主要研究方向和课题选择：①研究成核剂的添加对CsPbX3量子点析晶动力学与微观机理、量子点/玻璃界面结构及量子点内禀缺陷的影响；②研究贵金属合金材料的分形生长机制及阵列尺寸结构、贵金属合金组分/形貌对其吸收共振峰乃至表面增强拉曼光谱的影响，探明组分/形貌-吸收共振峰-拉曼增强性能之间的相互关联；③发展荧光粉拓扑还原制备技术、荧光玻璃陶瓷复合材料超低温快速烧结新技术，研制出具备自主知识产权的紫光激发新型高效多色荧光材料体系；④用溶液加工方法并利用钙钛矿材料优点，将宽带隙的蓝光钙钛矿与窄带隙的黄光碳点结合，开发具有高亮度、高效率、高显色指数的白光CDs-LED；⑤开展晶化动力学研究，探明微晶形成机理与影响因素，发展玻璃粉末-聚合物混炼工艺，制备大面积量子点玻璃-聚合物转光材料，装备高性能平板显示原型机。
（6）太阳能光伏材料。在新型太阳能光伏材料研究方面，针对目前太阳能电池成本高等问题，开展铜铟镓硒和铜锌锡硫等新型太阳能电池的研究。主要研究方向和课题选择：①水热和后硒化法制备Sb2(S,Se)3薄膜，构建无镉TiO2/Zn(O,S)双缓冲层，研究Zn(O,S)组分、结构对Zn(O,S)/Sb2(S,Se)3界面匹配和电荷传输的影响，阐明O/S比例-界面能级排列-器件性能的关联；②探究阳离子掺杂对NiOx绿色空穴传输层的导电性、能带结构及Sb2(S,Se)3/C界面电荷传输的影响；③结合能带理论和电池性能结果分析载流子输运的微观机制；④通过控制Se/S或Ge/Sn在Cu2ZnSnS4薄膜不同深度的比例，调节其带隙，构建表背面带隙宽、中间窄的V字型双梯度能带结构，解决传统单梯度能带结构中因表面带隙窄引起的电池开路电压的降低。
