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金属氧化物纳米结构嵌/脱钠机理的原位研究

批准号:
51671148
项目类别:
面上项目
资助金额:
60.0 万元
负责人:
王建波
依托单位:
学科分类:
金属材料设计、计算与表征
结题年份:
2020
批准年份:
2016
项目状态:
已结题
项目参与者:
贾双凤、曹凡、盛华平、彭赏、刘辉辉、李雷、孟威威、赵立功、赵培丽

项目摘要

结项摘要

项目成果

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中文摘要
近年来,以储量丰富、价格低廉、环境友好的钠为基础原料的钠离子电池受到了人们的广泛关注。金属氧化物纳米结构以理论容量高、循环性能好、安全性高等优点被认为是理想的电极材料。然而,由于缺乏成熟知识结构的支撑以及常规分析技术的局限性,其电化学反应过程特别是钠脱/嵌机理尚不完全明确,这是其实用化的主要瓶颈。本课题提出运用原位透射电子显微技术,在微观尺度上对金属氧化物纳米结构的电化学反应过程进行表征并探索尺寸、微观结构对金属氧化物钠脱/嵌机理的影响。通过分析电极材料的原子尺度的结构、成分以及元素价态变化,结合第一性原理计算从更深层次认识电极反应机理并试图建立电极材料原子尺度结构与性能相关联的研究方向。
英文摘要
Recently, the sodium-ion batteries have attracted great attention due to the abundant, cheap and environmentally-friendly sodium resources on the earth. Metal oxide nanostructures are considered as the ideal electrode materials because of the high theoretical capacity, excellent cycle capability as well as the high safety. However, the electrochemical processes, especially the sodiation and desodiation mechanisms in the metal oxides remain largely unexplored due to the lacking of a well-established knowledge system and limitation of conventional techniques, which pose a huge challenge to their applications. In this context, this project aims to explore the sodiation and desodiation mechanisms as a function of specimen size, micro-structure in low-dimensional metal oxides nanostructures by employing the advanced in-situ transmission electron microscopy. Through the detailed analysis of the microstructures, compositions and elemental valences in electrode materials and the assistance of the first-principle calculations, we are trying to obtain a deep understanding of the reaction mechanisms and provide a possible pathway for investigating the relationship between atomic structures and electro-chemical properties in electrode materials.
在锂资源日益减少的情况下,发展储量丰富、廉价易得且环境友好的钠离子电池是应对能源危机的重要举措之一。低维金属氧化物纳米结构以理论容量高、循环性能好、安全性高等优点成为潜在的理想钠离子电钠电极材料。本课题拟利用原位透射电子显微术对金属氧化物电极材料在充放电过程中原子尺度的结构、成分演变进行实时表征。通过必要的第一性原理计算等,深入研究与探讨金属氧化物作为钠离子电池电极材料的电化学反应机制。项目的主要进展如下:1、实现了钠离子电池负极材料(CuO、SnO2和Al-O化合物)以及正极材料(Na-W-O化合物)的结构可控制备,揭示了ZnO电极材料的原位生长过程以及应力作用下的结构稳定性,探讨了Fe-O、Mo-O化合物的原子尺度生长机理;2、探究了钠离子电池正极、负极材料在钠离子嵌入/脱嵌过程中的原子尺度结构演变:(1)对CuO、CuO/C及CuO/Au纳米线的电化学反应过程进行实时表征。实验结果表明C或Au包覆可有效提高CuO纳米电极的循环性能,主要是由于包覆层不仅可以提高电极材料的导电性,而且可以有效抑制纳米线的膨胀;进一步分析了碳/金包覆对单根CuO纳米线钠离子输运过程的影响,发现钠离子嵌入后,CuO/C纳米线在压应力作用下易产生裂纹,而CuO/Au纳米线则具有良好的延展性;(2)研究了Zn2SnO4纳米线的锂离子输运过程,发现锂离子主要沿{111}与{331}晶面嵌入;当纳米线直径大于100纳米时,锂离子的嵌入会引起沿{111}晶面的裂纹的形核与传播;(3)揭示了Na-W-O化合物中钠离子的输运过程。研究结果有助于从更深层次认识电极反应机理和性能演化规律。项目顺利完成了申请书中所提出的主要研究内容,相关后续研究工作也在进一步开展之中。
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
A Wide-bandgap D-A Copolymer Donor Based on Chlorine Substituted Acceptor Unit for High Performance Polymer Solar Cells
用于高性能聚合物太阳能电池的基于氯取代受体单元的宽带隙 D-A 共聚物供体
DOI: 10.1039/c9ta03272j
发表时间: 2019
期刊: Journal of Materials Chemistry A
影响因子: 11.9
作者: [Tao Wang, Rui Sun, Shengjie Xu, Jie Guo, Wei Wang, Jing Guo, Xuechen Jiao, Jianbo Wang, Shuangfeng Jia, Xiaozhang Zhu, Yongfang Li, Jie Min]
通讯作者: Jie Min
Surface-Coating-Mediated Electrochemical Performance in CuO Nanowires during the Sodiation-Desodiation Cycling
CuO 纳米线在钠化-脱钠循环过程中表面涂层介导的电化学性能
DOI: 10.1002/admi.201701255
发表时间: 2018
期刊: Advanced Materials Interfaces
影响因子: 5.4
作者: [Liu Huihui, Zheng He, Li Lei, Jia Shuangfeng, Meng Shuang, Cao Fan, Lv Yinghao, Zhao Dongshan, Wang Jianbo]
通讯作者: Wang Jianbo
Atomic-scale observation of a two-stage oxidation process in Cu2O
Cu2O 两阶段氧化过程的原子尺度观察
DOI: 10.1007/s12274-017-1429-2
发表时间: 2017
期刊: Nano Research
影响因子: 9.9
作者: [Liu Huihui, Zheng He, Li Lei, Sheng Huaping, Jia Shuangfeng, Cao Fan, Liu Xi, Chen Boyun, Xing Ru, Zhao Dongshan, Wang Jianbo]
通讯作者: Wang Jianbo
DOI: 10.1021/acsaem.9b01747
发表时间: 2019-10
期刊: ACS Applied Energy Materials
影响因子: 6.4
作者: [Huayu Peng;Weiwei Meng;He Zheng;Yanjie Wei;H. Sheng;Huihui Liu;Lei Li;Guangyu Wen;]
通讯作者: Huayu Peng;Weiwei Meng;He Zheng;Yanjie Wei;H. Sheng;Huihui Liu;Lei Li;Guangyu Wen;
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    超宽禁带半导体原子尺度结构与电子结构表征及其动态演变
    • 批准号:
      52071237
    • 项目类别:
      面上项目
    • 资助金额:
      58.0万元
    • 批准年份:
      2020
    • 负责人:
      王建波
    • 依托单位:
    DNA与组蛋白修饰在芸薹属植物多倍化进化中作用研究
    • 批准号:
      31970241
    • 项目类别:
      面上项目
    • 资助金额:
      58.0万元
    • 批准年份:
      2019
    • 负责人:
      王建波
    • 依托单位:
    过渡金属氧化物纳米材料空位形成和迁移机制的透射电子显微学研究
    • 批准号:
      51871169
    • 项目类别:
      面上项目
    • 资助金额:
      60.0万元
    • 批准年份:
      2018
    • 负责人:
      王建波
    • 依托单位:
    加拿大一枝黄花的多倍化及其入侵性分子基础研究
    • 批准号:
      31570539
    • 项目类别:
      面上项目
    • 资助金额:
      63.0万元
    • 批准年份:
      2015
    • 负责人:
      王建波
    • 依托单位:
    国内基金
    海外基金