高性能钠离子电池负极合金化诱发压电效应调控钠脱嵌的实现方法
批准号:
51874199
项目类别:
面上项目
资助金额:
61.0 万元
负责人:
米宏伟
依托单位:
学科分类:
冶金物理化学与冶金原理
结题年份:
2022
批准年份:
2018
项目状态:
已结题
项目参与者:
熊信柏、胡惠媛、谢杨苏、陈三名、王营涛、罗锋、杨晓丹、李皓宇、肖俊宇
中文摘要
合金元素因理论容量高被认为是最具潜力的钠离子电池负极材料,但其实际应用却受制于导电性差、反应动力学缓慢和充放电过程中体积变化严重的缺点。本项目拟采用钛酸钡(BTO)和合金(M)构建不同维度叠层或核壳结构的BTO/M复合材料,实现合金化反应产生的机械应力与BTO压电电压的相互转换并协同调控钠离子的传输。利用第一性原理结合原位XRD技术系统研究合金元素、含量和反应条件对复合材料的尺寸、维度和结构的影响规律,建立基于压电效应的合金类复合材料的可控制备方法;以研制BTO/M复合材料作为钠离子电池负极,通过分子动力学模拟结合高压电场极化、扫描电化学技术研究BTO极化方向、合金化体积效应和复合材料结构参数(维度、空间构型、界面特征)在脱嵌钠过程中的演变规律及其对钠离子传输的影响机制,揭示基于压电效应的合金类复合材料的嵌钠机理。项目成果为新型合金类复合材料的设计合成及其在钠离子电池中的应用提供理论指导。
英文摘要
Alloy-based materials hold great promise for their high theoretical capacity as the sodium-ion batteries (SIBs) anode, but their practical application is hindered by the poor conductivity, slow reaction kinetics and large volume change during discharge/charge processes. In this proposal, we will fabricate different dimensional laminated or core-shelled structured bariucm titanate (BTO) and alloy-based (M) composites. The large expansion of alloy-based material during Na-ion insertion is exploited as an energy source via piezoelectric BTO, which is a synergetic effect on Na-ion battery anode. First-principles combined with in-situ XRD, are used to explore the influence of alloy’s varieties, contents and reaction conditions on the resulting size, dimension and structure of composites. The controllable preparation methods of the alloy-based anode composites based on piezoelectric effect will be established. The relationship between structure and electrochemical performance will be studied in Na-ion battery. Polarization direction of BTO, volume effect of alloy-based materials as well as structure parameters (dimension, spatial configuration and interface) of the composites in the process of Na+ intercalation/deintercalation and their mechanism of influence on Na-ion transport are investigated through the molecular dynamics simulation, high voltage electric field polarization and scanning electrochemistry. The mechanism of Na+ intercalation of alloy-based composites based on the piezoelectric effect is revealed. It also provides theoretical guidance for the design and synthesis of novel alloy-based composites and their application in Na-ion batteries.
本项目针对合金类材料导电性差、脱嵌钠时体积变化大和反应动力学缓慢的瓶颈性难题,引入功能性材料钛酸钡(BTO),通过机械球磨、气相沉积、静电纺丝、溶剂热等技术构建了四种不同维度和结构的复合材料。系统研究了合金类材料(red-P、SnO2)和BTO含量、制备条件对复合材料尺寸、维度和结构的影响,建立了基于铁电/压电效应的合金类复合材料的可控制备方法;探究了复合材料的脱嵌钠特性和反应机理,揭示了材料的结构、组成对其电化学性能的影响规律,实现了超长寿命的可快充的钠离子电池的组装;通过高压电场极化和分子动力学模拟计算研究了BTO极化方向和强度对钠离子传输机制的影响规律;借助扫描电化学显微镜(SECM)和原位X射线粉末衍射(XRD)等技术探究了合金化体积效应诱发压电效应调控钠离子传输机制以及复合材料维度和结构在脱嵌钠过程中的演变规律,阐明了基于铁电/压电效应的合金类复合材料的嵌钠机理。主要研究成果如下:(1)引入铁电材料(钛酸钡)以及正向极化可提升钠离子扩散,而负向极化会阻碍钠离子的扩散;(2)钛酸钡在外部电场或压力作用下容易极化形成内部电场,该内部电场可有效加速钠离子扩散,诱导钛酸钡产生内部电场的条件来自于电池自身电场对钛酸钡的铁电极化和合金体积膨胀微压应力产生的压电效应;(3)一维异质结构的SnO2/BTO@NCNF复合材料在5 A·g-1电流密度下可稳定循环10000圈仍保持183.4 mAh·g-1的可逆容量,三维核壳结构的BTO@SnO2@P-C复合材料在10 A·g-1电流密度下稳定循环10000圈可保持144.4 mAh·g-1的可逆容量,突破了钠离子电池在大电流密度下的超长稳定循环。项目成果为新型合金类复合材料的设计合成及其在二次离子电池中的应用提供了理论和技术基础,具有重要的学术价值和广阔应用前景。
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Engineering hollow multi-shelled Co3O4 cubes to boost lithium storage performance
设计空心多壳 Co3O4 立方体以提高锂存储性能
DOI:
10.1016/j.apsusc.2021.149022
发表时间:
2021-04
期刊:
Applied Surface Science
影响因子:
6.7
作者:
[Xiao Junyu, Zhu Zhengxiang, Zhang Guoqiang, Li Haoyu, Li Yongliang, Ren Xiangzhong, Zhang Peixin, Mi Hongwei]
通讯作者:
Mi Hongwei
Cyanamide-defect-induced built-in electric field in crystalline carbon nitride for enhanced visible to near-infrared tight photocatalytic activity
结晶氮化碳中氰酰胺缺陷诱导的内置电场可增强可见光到近红外光催化活性
DOI:
--
发表时间:
2022
期刊:
Inorganic Chemistry Frontiers
影响因子:
7
作者:
[Zhu Jinyu, Zhang Guoqiang, Xu Yangsen, Huang Wei, He Chuangxin, Zhang Peixin, Mi Hongwei]
通讯作者:
Mi Hongwei
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DOI:
10.1039/d1dt02504j
发表时间:
2021
期刊:
Dalton Transactions
影响因子:
4
作者:
[Liu Wen, Qiu Bin, Yan Jiawei, He Chuanxin, Zhang Peixin, Mi Hongwei]
通讯作者:
Mi Hongwei
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通过磷酸三甲酯调节电解质溶剂化结构实现可逆宽温储锌
DOI:
--
发表时间:
2022
期刊:
Chemical Engineering Journal
影响因子:
15.1
作者:
[Qiu Bin, Xie Lizhuan, Zhang Guoqiang, Cheng Kejing, Lin Zhangwen, Liu Wen, He Chuanxin, Zhang Peixin, Mi Hongwei]
通讯作者:
Mi Hongwei
Hollow Co3S4/C anchored on nitrogen-doped carbon nanofibers as a free-standing anode for high-performance Li-ion batteries
锚定在氮掺杂碳纳米纤维上的空心 Co3S4/C 作为高性能锂离子电池的独立阳极
DOI:
10.1016/j.electacta.2018.12.175
发表时间:
2019-03-10
期刊:
ELECTROCHIMICA ACTA
影响因子:
6.6
作者:
[Luo, Feng, Ma, Dingtao, Luo, Shan]
通讯作者:
Luo, Shan
共 29 条
氮化碳缺陷工程调控固态电解质能带结
构及其体相/界面电荷传输机制研究
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批准号:--
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项目类别:省市级项目
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资助金额:10.0万元
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批准年份:2025
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负责人:米宏伟
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依托单位:
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批准号:--
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项目类别:省市级项目
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资助金额:10.0万元
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批准年份:2023
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负责人:米宏伟
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依托单位:
固态电解质诱发“疏锂排斥”效应调控锂定向沉积机制研究
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批准号:--
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项目类别:省市级项目
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资助金额:10.0万元
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批准年份:2021
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负责人:米宏伟
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依托单位:
基于自修复静电屏蔽效应构筑固态电解质及其抑制锂枝晶生长机制研究
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批准号:22078200
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项目类别:面上项目
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资助金额:63.0万元
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批准年份:2020
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负责人:米宏伟
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依托单位:
中空微纳结构碳基复合材料的可控制备和电化学性能提升研究
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批准号:21601126
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:22.0万元
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批准年份:2016
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负责人:米宏伟
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依托单位:
国内基金
海外基金