原位合金化策略反应机理及协同效应原理的基础研究

批准号:
21905087
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
26.0 万元
负责人:
王珏
依托单位:
学科分类:
B0905.电能源化学
结题年份:
2022
批准年份:
2019
项目状态:
已结题
项目参与者:
--
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中文摘要
因为丰富而低成本的钾资源,钾离子电池具有很大的潜在市场和科学研究价值。目前其负极材料研究集中在价格低、导电性好的碳材料,但其压实密度较小、能量密度偏低。Sn、Sb、Bi可与钾形成合金,提供高容量。但充放电过程体积变化大、稳定性低。由于协同效应,合金在锂和钠离子电池中得到了关注。但传统球磨法制备的合金尺寸大、元素分布均匀性欠佳,没有解决钾电池负极的不稳定性。然而,原位合金化策略可以产生尺寸小、元素分布均匀的纳米合金颗粒,形成原子间的强协同效应来解决这个问题。因此,为了深入认知该策略,本项目将1)采用第一性原理,理论计算此策略中(Bi,Sb)纳米合金形成及储钾过程中原子成键、晶体结构变化及动力学特征;2)通过原位XRD、原位Raman、TEM及元素和价态分析,实时表征充放电时原子成键、晶相、元素分布和价态的动态演变;3)结合电化学方法,探明原位合金化策略的反应机理,揭示强协同效应的原理。
英文摘要
Potassium-ion batteries have a substantial potential market and scientific value because of the abundant and low-cost potassium resources. Currently, the anode material research focuses on the low-cost and conductive carbon materials, but the compact density is low while the energy density is not high. Sn, Sb, and Bi can form alloys with potassium to provide a high capacity. However, the volume change during charging and discharging is huge, resulting in a low stability. Alloys are attractive in lithium and sodium ion batteries due to the synergistic effect between elements. However, the alloy prepared by the conventional ball milling method has a large size and a poor uniformity of elemental distribution, and does not solve the problem of instability. The in situ alloying strategy can produce alloy nanoparticles with a small size and uniform elemental distribution, forming a strong synergistic effect between atoms to solve the instability. Therefore, to deeply understand the strategy, this project will 1) adopt the first principles and theoretically calculate the bonding, crystal structure, and kinetic characteristics during the formation and potassium storage of (Bi, Sb) nanoparticles in this strategy; 2) characterize the dynamic evolution of bonding, crystal structure, elemental distribution, and valence state during charge and discharge in real-time by in situ XRD, in situ Raman, and TEM, together with elemental and valence analysis; 3) determine the formation mechanism of alloy nanoparticles and resolve the principle of the strong synergistic effect between atoms by combining the results from calculation, material characterization, and electrochemical methods.
针对原位合金化策略反应机理及储钾协同效应原理尚不清晰等瓶颈问题,本项目采用原位X射线粉末衍射、透射电镜及元素和价态分析等实验方法,结合电化学手段以及理论计算,探究了同时含有铋、锑元素的前驱体氯氧化铋锑和磷酸铋锑通过原位合金化策略产生铋锑合金的反应机理和储钾机制,及铋锑元素通过协同效应高效储钾的原理。本项目实现了对电化学嵌/脱钾过程中氯氧化铋锑和磷酸铋锑相转变过程的精准表征,阐明了氯氧化铋锑和磷酸铋锑组分、结构、形成铋锑合金的反应机制和演变规律,揭示了原位合金化策略形成铋锑合金并储钾的反应机理及其影响其储钾特性的内在作用机制。相关研究成果构建了原位合金化策略储钾的理论基础,为设计高性能合金化型钾离子电池负极材料和发展钾离子电池提供了重要的理论指导和实验借鉴。
期刊论文列表
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Nature of Bismuth and Antimony Based Phosphate Nanobundles/Graphene for Superior Potassium Ion Batteries
用于优质钾离子电池的铋和锑基磷酸盐纳米束/石墨烯的性质
DOI:--
发表时间:2022
期刊:Chemical Engineering Journal
影响因子:15.1
作者:Yuliang Yang;Jue Wang (通讯作者);Suqin Liu;Weiwei Zhu;Guanying Ye;Xianhui Yi;Bingan Lu
通讯作者:Bingan Lu
DOI:10.1021/acsmaterialslett.1c00477
发表时间:2021-10
期刊:ACS Materials Letters
影响因子:11.4
作者:Jue Wang;Zhaomeng Liu;Jiang Zhou;Kai Han;Bingan Lu
通讯作者:Bingan Lu
DOI:10.1021/acsami.1c01221
发表时间:2021-04
期刊:ACS applied materials & interfaces
影响因子:9.5
作者:Guofeng Jia;Faqiang Li;Jue Wang;Suqin Liu;Yuliang Yang
通讯作者:Guofeng Jia;Faqiang Li;Jue Wang;Suqin Liu;Yuliang Yang
Micro-sized porous silicon@PEDOT with high rate capacity and stability for Li-ion battery anode
具有高倍率容量和稳定性的微米级多孔硅@PEDOT,用于锂离子电池负极
DOI:10.1016/j.matlet.2021.129712
发表时间:2021-06
期刊:Materials Letters
影响因子:3
作者:Shuangfu Li;Jinhua Huang;Jue Wang (通讯作者);Kai Han
通讯作者:Kai Han
Acetylation Strategy for Unzipping Carbon Nanotubes in High-Performance Lithium-Ion Batteries
高性能锂离子电池中碳纳米管的乙酰化策略
DOI:10.1021/acsanm.2c04552
发表时间:2022-12
期刊:ACS Applied Nano Materials
影响因子:5.9
作者:Tianxing Xu;Qiaoling Yang;Xueliang Zhang;Yin Lin;Jue Wang(通讯作者);Yajuan Li;You-Nian Liu
通讯作者:You-Nian Liu
全钒液流电池负极V(II)/V(III)电化学氧化还原的催化机理研究
- 批准号:2025JJ50094
- 项目类别:省市级项目
- 资助金额:0.0万元
- 批准年份:2025
- 负责人:王珏
- 依托单位:
新型合金化型磷酸盐储钾机制研究
- 批准号:2021JJ40716
- 项目类别:省市级项目
- 资助金额:0.0万元
- 批准年份:2021
- 负责人:王珏
- 依托单位:
国内基金
海外基金
