三维石墨烯稳定无机纳米量子点的导向组装及高效储锂性能研究
批准号:
51502043
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
20.0 万元
负责人:
李运勇
依托单位:
学科分类:
无机非金属基复合材料
结题年份:
2018
批准年份:
2015
项目状态:
已结题
项目参与者:
陈雨婷、钱艳楠、廖海洋、邓鹏、黄颖欣、张志平、叶翼鹏
中文摘要
负极材料作为锂离子电池的重要组成部分,其性能的提升对整个锂离子电池性能的改进起着关键作用。然而目前商品化的石墨化碳,其理论比容量仅为372 mAh/g,远不能满足当前高能耗领域的应用需求,故设计和开发一种高比功率和高比能量的锂离子电池负极材料是当前所亟需。本项目拟提出以新型高导电的三维石墨烯来稳定高容量无机纳米量子点(直径<5 nm)的新策略,制备三维石墨烯-无机纳米量子点复合材料。利用新型三维石墨烯具有高比表面积和良好的纳米孔洞的优势,将高载量的无机纳米量子点均匀分散并导向组装嵌入到该载体的纳米孔洞内,融合无机纳米量子点具有超小尺寸、高比表面积及表面原子比的特点,设计制备一系列高比功率和高比能量的锂离子电池负极材料。研究三维石墨烯稳定无机纳米量子点的导向组装机理,探讨三维石墨烯和无机量子点的协同效应,揭示复合材料的结构、组成与电化学性能之间的联系,为高效锂离子电池的实际应用奠定理论基础。
英文摘要
Anode material is one of the key components for lithium ion batteries (LIBs). Its improvement plays a key major role in improving performance of LIBs. However, the theoretical specific capacity of commercial graphitized carbon materials is only 372 mAh/g, which is far beyond the requirements of high energy consuming fields. Therefore, it is essential to design and develop an anode material with high-power and high-energy density for LIBs. In this project, we will explore an efficient strategy to prepare a novel three-dimensional (3D) graphene-inorganic quantum dots (IQDs) nanocomposite by using 3D graphene with high conductivity to stabilize the high-capacity IQDs (Diameter <5 nm). By taking advantages of the 3D graphene with high specific surface area and favorable nano-pore structures, a substantial amount of IQDs can be effectively dispersed and embed in the nanopores of 3D graphene. Combining with such characteristics of IQDs as ultrasmall nano size, high specific surface area and high surface-to-atom ratio, a series of anode materials with high-power and high-energy density for LIBs will thus be designed and fabricated. Through investigating the mechanism for the directed assembly of IQDs stabilized by 3D graphene, discussing the synergistic effect between 3D graphene and IQDs, and revealing the relationships between structure, composition and their electrochemical performance, we will lay a theoretical foundation for the application of high-efficiency LIBs in practice.
无机纳米量子点由于其具有超高的比表面积和表面原子比,超短的电荷传输距离以及显著的量子限域效应等特性,它们在高效电化学储能领域可能具有异常的电化学性能。然而相比常规的纳米粒子,无机纳米量子点具有的超高表面能,使得其在合成时极易团聚及合成条件苛刻,造成它们异常的电化学性能难以发挥。本项目在执行期间,发展了以新型高导电的三维多孔石墨烯为载体来稳定具有高理论比容量的无机纳米量子点的新策略,调控了三维石墨烯载体的纳米孔洞和比表面积,提出了一系列低温水热或溶剂热等新方法,将氧化铁、氧化钛、氧化锡和锡等无机纳米量子点均匀分散并原位嵌入到该载体的纳米孔洞内,制备出了一系列三维石墨烯-无机纳米量子点的复合材料,如氧化铁量子点-三维石墨烯复合材料。通过控制反应条件,联合XRD、SEM、TEM等表征手段,探究了无机纳米量子点在三维石墨烯载体的孔洞内生长的机理,例如载体孔洞缺陷物理吸附金属离子和水量的控制,以及低温生长,诱导了无机纳米量子点在三维石墨烯载体孔洞内原位生长。采用各种常规和非常规的电化学测试技术,如循环伏安、交流阻抗等技术,研究了复合电极材料的充放电行为、循环稳定性、倍率性能以及电极材料的脱嵌锂过程及电子/电荷转移过程等;采用XRD、TEM等多种非原位的物理和电化学联合表征技术,研究了三维石墨烯载体和无机纳米量子点之间的协同作用机制,揭示了复合电极材料的结构、组成与电化学性能之间的内在联系,实现制备出了一系列兼具高功率密度和高能量密度且长稳定的高效锂/钠离子电池负极材料,如氧化物量子点-三维石墨烯复合负极材料、N-C@Sn@SnO2/三维石墨烯复合负极材料等。利用氧化石墨烯易组装的特性,拓展了制备致密的石墨烯基无机纳米量子点复合材料的新方法,实现了快速、高体积比容量的锂/钠离子电池负极材料。以上的研究为高效锂/钠离子电池的实际应用奠定理论基础。
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Electrochemical performance of Li4Ti5O12/carbon nanotubes/graphene composite as an anode material in lithium-ion batteries
Li4Ti5O12/碳纳米管/石墨烯复合材料作为锂离子电池负极材料的电化学性能
DOI:
10.1016/j.ijhydene.2016.09.089
发表时间:
2017-03
期刊:
International Journal of Hydrogen Energy
影响因子:
7.2
作者:
[Yuting Chen, Haiyan Zhang, Yunyong Li, Yiming Chen, Tao Luo]
通讯作者:
Tao Luo
DOI:
10.1007/s10853-016-0239-3
发表时间:
2016-07
期刊:
Journal of Materials Science
影响因子:
4.5
作者:
[Shanxing Wang;Yunyong Li;Haiyan Zhang;Yingxi Lin;Zhenghui Li;Wenguang Wang;Qibai Wu;Yannan Qian;H. Hong;C. Zhi]
通讯作者:
Shanxing Wang;Yunyong Li;Haiyan Zhang;Yingxi Lin;Zhenghui Li;Wenguang Wang;Qibai Wu;Yannan Qian;H. Hong;C. Zhi
Enhanced capability and cyclability of flexible TiO2-reduced graphene oxide hybrid paper electrode by incorporating monodisperse anatase TiO2 quantum dots
通过结合单分散锐钛矿型 TiO2 量子点增强柔性 TiO2 还原氧化石墨烯混合纸电极的性能和循环性能
DOI:
10.1016/j.electacta.2017.10.129
发表时间:
2018
期刊:
Electrochimica Acta
影响因子:
6.6
作者:
[Li Yunyong, Huang Ying, Ou Changzhi, Zhu Junlu, Yuan Xingxing, Yan Liang, Li Wenwu, Zhang Haiyan]
通讯作者:
Zhang Haiyan
A new kind of water-based nanofluid with a low loading of three-dimensional porous graphene
一种新型低载量三维多孔石墨烯水基纳米流体
DOI:
10.1007/s10853-017-1232-1
发表时间:
2017-05
期刊:
Journal of Materials Science
影响因子:
4.5
作者:
[Lin Yingxi, Zhang Haiyan, He Chunhua, Li Yunyong, Wang Shanxing, Hong Haoqun]
通讯作者:
Hong Haoqun
Towards fast and ultralong-life Li-ion battery anodes: embedding ultradispersed TiO2 quantum dots into three-dimensional porous graphene-like networks
迈向快速、超长寿命的锂离子电池阳极:将超分散的 TiO2 量子点嵌入三维多孔类石墨烯网络中
DOI:
10.1016/j.electacta.2017.06.152
发表时间:
2017-08-20
期刊:
ELECTROCHIMICA ACTA
影响因子:
6.6
作者:
[Li, Yunyong, Ou, Changzhi, Zhang, Haiyan]
通讯作者:
Zhang, Haiyan
内建电场和双亲硫效应的过渡金属硼化物-MXene异质催化剂设计及锂硫催化机制研究
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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:15.0万元
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批准年份:2024
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负责人:李运勇
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依托单位:
锂硫电池用掺杂过渡金属硫族化合物/MXene催化剂的构筑及机理研究
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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:李运勇
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依托单位:
面向致密锂硫电池的传导金属基纳米点/MXene高效催化剂构筑及机理研究
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批准号:51972066
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项目类别:面上项目
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资助金额:60.0万元
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批准年份:2019
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负责人:李运勇
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依托单位:
国内基金
海外基金