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钛基NASICON钠离子电容器材料设计与器件研究
结题报告
批准号:
51602354
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
22.0 万元
负责人:
杨功政
依托单位:
学科分类:
E0208.无机非金属能量转换与存储材料
结题年份:
2019
批准年份:
2016
项目状态:
已结题
项目参与者:
申丽莎、郭培胜、李硕宇、刘馀义
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中文摘要
最近,锂离子电容器因其兼具高能量密度、高功率密度的特点受到了广泛的关注。然而,锂资源储量有限,分布不均匀,锂离子电容器在未来有可能遇到锂资源依赖的瓶颈。钠与锂同族,理化性质相近,且钠离子电池在原理上与锂离子电池相近。因此,本项目将采用资源和成本上更具优势的钠基储能材料,设计制备低成本、高性能的新型钠离子电容器。针对缺乏可稳定嵌脱钠离子的长寿命、高倍率型电极材料、混合电容器的正负极材料动力学不匹配等问题,拟开展如下研究内容:(1)发展如NaTi2(PO4)3等在嵌脱钠过程中具有稳定结构的NASICON结构钛基化合物纳米材料;(2)发展异元素掺杂碳纳米材料,制备高容量钠离子电容器正极材料;(3)研究这些材料作为钠离子电池电极材料的储钠性能;(4)组装以异元素掺杂碳为正极、以NaTi2(PO4)3等为负极的新型钠离子电容器,发展具有高能量、功率密度、长寿命、低成本的储能器件。
英文摘要
Recently, lithium ion hybrid electrochemical capacitors, combining battery-type electrodes and capacitor-type electrodes (generally carbon materials), have exhibited excellent properties such as high energy and power density, long cycling life and high safety and therefore became a promising energy storage device. However, just like the development consequence of Li-ion batteries, the hungry demand for vast energy sources in modern society will conflict with the shortage of lithium resources. Nowadays, sodium-based energy-storage devices have gained increasing research interest as a potential substitute to Li-ion batteries due to their low cost, abundant natural resources. Thus, constructing sodium-based hybrid electrochemical supercapacitors is proposed an effective way in realizing high-performance energy storage systems with low cost. However, it is a major challenge to find appropriate sodium storage electrode materials with both high-rate performance and stable cycle stability upon sodium ions insertion/extraction. Besides, developing novel carbons with high capacity is another urgent demand for high-energy sodium ion hybrid capacitors. For reasons noted above, four foundamental researches are developed to address these issues: (1) Engineering more NASICON-type titanium-based compounds nanostructures via the simple solvothermal method; (2) Preparing carbon nanomaterials that doped with different elements such as N, F or organic functional groups; (3) Making clear their sodium-storage properties when used as electrodes for sodium ion batteries; (4) Designing high-performance sodium ion hybrid capacitor that is consist of carbon nanomaterilas cathode and titatium-based anode.
众所周知,锂离子电池是目前最先进的二次电源,具有能量密度高、无记忆效应、自放电小等优点。只是,在锂离子电池的制造过程中,需要严格控制水份,因此工艺复杂。特别是近年来频繁出现的手机、电动汽车电池爆炸的事件,揭示了锂离子电池存在严重的安全问题。此外,锂资源的储量十分有限,开发利用困难。加之近年来受新能源汽车需求拉动,造成锂资源的价格大幅上涨。锂离子电池尽管由于其优异的性能得到广泛的应用,但也存在低安全性和高成本的不足之处。因此,开发低成本、高安全性的新型二次电池是十分有意义的工作。钠离子电池与锂离子电池原理相近,其材料体系不断丰富,相关研究也取得了许多重要进展。但一方面,直接采用钠金属负极存在钠枝晶的安全隐患,另一方面,钠离子电池依靠钠离子作为传输介质,在材料中的有限扩散速率很大程度限制了功率密度的提升。针对于此,我们提出了“钛基NASICON钠离子电容器材料设计与器件研究”的研究工作。通过制备具有高比表面积、快速电子/离子导通能力、且具有稳定结构的NASICON钛基钠离子电池负极材料,采用廉价易得的活性炭材料作为正极,成功组装出具有较高能量密度(56Wh/kg)和极佳倍率性能(4096W/kg)的钠离子混合电容器。该器件可实现10秒的快速充电,继而为一个用电器持续供电高达18小时。且在长达2万周的反复充放电过程中没有明显的容量损失,展现出优异的循环稳定性能,是一类非常有潜力的动力电源。在顺利完成此项研究后,我们开展了水系锌离子电池相关的研究工作。水系锌离子电池,由金属锌负极、中性或弱酸性电解液、可嵌脱锌离子正极材料组成,是一类新型高安全、低成本的二次电池。但由于水系锌离子电池的正极材料能量密度低、循环稳定性差,且反应机制仍存在较大争议,导致其广泛应用受到了制约。为此,我们发展了一系列新型的水系锌离子电池正极材料,创新性地提出了一种新的锌离子存储机制。这些研究拓展了水系锌离子电池的材料体系,并为开发新型材料提供了一定的借鉴。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
Highly reversible and long-life cycling aqueous zinc-ion battery based on ultrathin (NH4)2V10O25•8H2O nanobelts
基于超薄(NH4)(2)V10O25中心点8H(2)O纳米带的高可逆、长寿命循环水系锌离子电池
DOI:10.1039/c8ta06626d
发表时间:2018-11-07
期刊:JOURNAL OF MATERIALS CHEMISTRY A
影响因子:11.9
作者:Wei, Tongye;Li, Qian;Wang, Chengxin
通讯作者:Wang, Chengxin
Pseudo-Zn-Air and Zn-Ion Intercalation Dual Mechanisms to Realize High-Areal Capacitance and Long-Life Energy Storage in Aqueous Zn Battery
赝锌空气和锌离子嵌入双重机制在水系锌电池中实现大面积电容和长寿命储能
DOI:10.1002/aenm.201901480
发表时间:2019
期刊:Advanced Energy Materials
影响因子:27.8
作者:Wei Tongye;Li Qian;Yang Gongzheng;Wang Chengxin
通讯作者:Wang Chengxin
Iso-Oriented NaTi2(PO4)3 Mesocrystals as Anode Material for High-Energy and Long-Durability Sodium-Ion Capacitor
等向NaTi2(PO4)(3)介晶作为高能长耐用钠离子电容器负极材料
DOI:10.1021/acsami.7b08778
发表时间:2017-09-20
期刊:ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES
影响因子:9.5
作者:Wei, Tongye;Yang, Gongzheng;Wang, Chengxin
通讯作者:Wang, Chengxin
In Situ Ag Nanoparticles Reinforced Pseudo-Zn-Air Reaction Boosting Ag2V4O11 as High-Performance Cathode Material for Aqueous Zinc-Ion Batteries
原位银纳米粒子增强伪锌-空气反应促进Ag2V4O11作为水系锌离子电池的高性能正极材料
DOI:10.1002/smtd.201900637
发表时间:2019-11-11
期刊:SMALL METHODS
影响因子:12.4
作者:Li, Qian;Liu, Yuyi;Wang, Chengxin
通讯作者:Wang, Chengxin
High-rate and durable aqueous zinc ion battery using dendritic V10O24 center dot 12H(2)O cathode material with large interlamellar spacing
采用大层间距树枝状V10O24中心点12H(2)O正极材料的高倍率耐用水系锌离子电池
DOI:10.1016/j.electacta.2018.08.040
发表时间:2018
期刊:Electrochimica Acta
影响因子:6.6
作者:Wei Tongye;Li Qian;Yang Gongzheng;Wang Chengxin
通讯作者:Wang Chengxin
水系钠离子电池锰溶解链式反应抑制研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    省市级项目
  • 资助金额:
    10.0万元
  • 批准年份:
    2025
  • 负责人:
    杨功政
  • 依托单位:
高比能锌离子电池α-MnO2正极的梯度掺杂改性研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    省市级项目
  • 资助金额:
    10.0万元
  • 批准年份:
    2021
  • 负责人:
    杨功政
  • 依托单位:
高比能钒基双金属氧化物纳米材料储锂机理研究
  • 批准号:
    51872340
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    62.0万元
  • 批准年份:
    2018
  • 负责人:
    杨功政
  • 依托单位:
国内基金
海外基金