新型高性能、低成本Ti基固溶体氧化物电极材料开发与反应机制研究

批准号:
21503009
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
22.0 万元
负责人:
尉海军
依托单位:
学科分类:
B0905.电能源化学
结题年份:
2018
批准年份:
2015
项目状态:
已结题
项目参与者:
李永利、贾新建、郑广伟、何迪、张燕
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中文摘要
钠元素与锂元素化学性质相似,且储量丰富,因此室温钠离子电池(NIBs)在大规模储能领域很有吸引力。目前NIBs的研究重点是开发高性能电极材料。Ti基固溶体氧化物(Ti-SSOs)是一种新型电极材料,电化学性能优异且充放电曲线光滑。我们的前期研究已开发了不同结构的Ti/Ni、Ti/Co及Ti/Mn等二元Ti-SSOs,建立了Ti-SSOs材料研究体系。本研究拟在前期基础上,采用Fe、Mn等元素取代O3-型Ti/Ni正极与P2-型Ti/Co负极材料中的Ni与Co元素,实现Ti-SSOs材料的三元或四元固溶化并降低材料成本,结合表面改性进一步提高Ti-SSOs的电化学性能,深入研究Ti-SSOs的电化学反应机制,并探讨其充放电曲线光滑的原因。本项目的实施将开发新型高性能、低成本三元或四元Ti-SSOs,完善Ti-SSOs研究体系,对深入了解Ti-SSOs材料并推动其在NIBs上应用具有重要意义。
英文摘要
Sodium has similar chemical properties with lithium, and is abundant in the earth crust. Therefore, room temperature sodium-ion batteries (NIBs) have attracted great attention in the large-scale energy-storage field. Currently, one of the hot research topics of NIBs is developing electrodes with high performance. Ti-based solid solution oxides (Ti-SSOs) are novel electrodes for NIBs, presenting excellent electrochemical performance with smooth charge/discharge curves when these Ti-SSOs are used as cathode or anode in NIBs. We have previously developed Ti/Ni, Ti/Co and Ti/Mn binary Ti-SSOs with different crystalline structures, and established the Ti-SSOs electrode research system. Based on our previous research results, this study will research the element substitution of Ni and Co in O3-type Ti/Ni cathode and P2-type Ti/Co anode materials by Fe, Mn and so on, establish the ternary or quaternary Ti-SSOs with decreased materials cost, improve their electrochemical performance through surface modification, research the electrochemical reaction mechanism of Ti-SSOs deeply, and investigate the reasons for Ti-SSOs with smooth curves during charging and discharging processes. The implementation of this project will develop the novel ternary or quaternary Ti-SSOs with good electrochemical performance and low cost, consummate Ti-SSOs research system, and has important significance on understanding Ti-SSOs deeply and promoting the utilization of Ti-SSOs in NIBs.
开发钠离子电池(NIBs)高性能电极材料对于大规模、低成本储能应用具有重要价值。Ti基固溶体过渡金属氧化物材料(Ti-SSOs)具有优异的倍率和循环性能,是室温NIBs电极材料的重要研究体系之一。但Ti-SSOs还需进一步拓展完善,其电化学性能还需提高,成本还需显著降低。同时,Ti-SSOs的电化学反应机制需要深入探究,尤其是充放电过程中多平台现象消失的原因需要阐明。本项目为解决上述科学问题和技术挑战,开展了成体系的研究工作。(1)利用Fe元素取代Co, Ni,制备出低成本P2(Na0.67Ni0.33Ti0.67O2), T1(Na2.65Ti3.35Fe0.65O9)和T2(NaTiFeO4)三相复合晶畴材料,通过改变Fe元素比例调控晶畴比例并优化电化学性能,阐明了电化学演化及Na+脱/嵌机理;(2)制备了P2-型Na2/3Ni1/3Ti2/3O2(NNT)和P2-型Na2/3Co1/3Ti2/3O2(NCT)材料,结合结构解析与理论计算揭示了反应机制和Na+的脱/嵌方式,证实材料充放电多平台消失现象是由于Ti元素得失电子不断地进行可逆偏移,从而降低Na+脱嵌迁移能垒并缓解材料内部应力所致;(3)制备了P2-tunnel型Na0.67Fe0.4Mn0.6O2及多金属P2-tunnel型Na0.67Fe0.25Mn0.65Mg0.05Ti0.05O2复合晶畴材料,通过调控元素比例以调节晶畴结构,并实现材料性能提高。(4)优化球磨法制备了SiP2/C复合材料并显著提升了SiP2的倍率及循环性能,综合原位及离线技术揭示了SiP2的放电产物、结构演化及无定形化规律。(5)利用球磨法调控了Sn4P3的结构转化,制备了系列二元Sn4P3/C、四元Sn4P3/Sn/P/C及三元Sn/P/C复合负极材料,通过优化复合材料的组成与结构提升了循环性能。(6)针对高性能NIBs关键材料,包括过渡金属氧化物材料、复合结构材料及固态电解质与界面进行了综述评论,对锂离子电池等体系开展了原创研究和综述评论工作。基于上述研究,撰写论文19篇(已发表17篇),申请专利7项,培养博士后及研究生多人,其中硕士研究生马昊获“北京市优秀毕业生”称号。这系列工作开发了一系列高性能NIBs电极材料,揭示了材料电化学转化规律与机理,为进一步构筑高性能电极材料、提升NIBs综合性能提供了科学依据。
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
Electrochemical Kinetics and Cycle Stability Improvement with Nb Doping for Lithium-Rich Layered Oxides
通过 Nb 掺杂改善富锂层状氧化物的电化学动力学和循环稳定性
DOI:10.1021/acsaem.8b01534
发表时间:2018-12
期刊:ACS Applied Energy Materials
影响因子:6.4
作者:Muhammad Zubair;Guangyin Li;Boya Wang;Lin Wang;Haijun Yu
通讯作者:Haijun Yu
DOI:10.1016/j.nanoen.2017.11.006
发表时间:2018
期刊:Nano Energy
影响因子:17.6
作者:Hao Ma;Heng Su;Khailil Amine;Xinyu Liu;Saddique Jaffer;Tongtong Shang;Lin Gu;Haijun Yu
通讯作者:Haijun Yu
DOI:10.1039/c8cc09677e
发表时间:2019-02
期刊:Chemical communications
影响因子:4.9
作者:Jie Wang;Xu Zhang;Weiqin Chu;Shiqi Liu;Haijun Yu
通讯作者:Jie Wang;Xu Zhang;Weiqin Chu;Shiqi Liu;Haijun Yu
Grystalline Grain Interior Configuration affects lithium migration kinetics in li-rich layered oxides
晶粒内部结构影响富锂层状氧化物中的锂迁移动力学
DOI:10.1021/acs.nanolett.5b03933
发表时间:2016
期刊:Nano Letters
影响因子:10.8
作者:Haijun Yu;Yeong-Gi So;Akihide Kuwabara;Eita Tochigi;Naoya Shibata;Tetsuichi Kudo;Haoshen Zhou;Yuichi Ikuhara
通讯作者:Yuichi Ikuhara
DOI:10.1016/j.ensm.2016.06.005
发表时间:2016
期刊:Energy storage materials
影响因子:--
作者:Heng Su;Jaffer Saddique;Haijun Yu
通讯作者:Haijun Yu
高能固态锂电池关键材料功能基元序构及性能优化
- 批准号:92263206
- 项目类别:重大研究计划
- 资助金额:270.00万元
- 批准年份:2022
- 负责人:尉海军
- 依托单位:
铝-硫电池用AlCl3/乙酰胺电解液改性研究
- 批准号:--
- 项目类别:--
- 资助金额:64万元
- 批准年份:2020
- 负责人:尉海军
- 依托单位:
锂离子电池用高容量富锂层状氧化物双晶畴结构演化机制研究
- 批准号:U1507107
- 项目类别:联合基金项目
- 资助金额:40.0万元
- 批准年份:2015
- 负责人:尉海军
- 依托单位:
国内基金
海外基金
