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过渡金属层状高熵氧化物的形成机制、储钾性能及机理研究

批准号:
52071073
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
王志远
依托单位:
学科分类:
金属能源与环境材料
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
王志远

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
高熵氧化物(HEO)是一种阳离子无序排列的新型多组分化合物,具有高稳定性、超高离子电导率等优点,在储能领域应用潜力巨大。本项目提出利用高熵结构设计钾离子电池正极材料,拟以层状结构高熵氧化物为研究目标,围绕其形成机制、储钾性能及机理展开研究。通过理论计算预测过渡金属HEO的相结构和稳定性;采用高温固相法合成一系列HEO,利用变温XRD原位追踪其结构演变过程,系统探究单一元素的影响,揭示HEO的形成机制,获取成分设计原则及结构调控途径;系统研究HEO在钾离子半电池及全电池中的电化学性能,探究HEO的组成及合成条件对储钾性能的影响规律,探明关键影响因素及性能调控途径;利用原位XRD和三维重构等技术揭示HEO充放电过程中结构、成分演变规律,结合理论计算构建模型并揭示其储钾机理。该研究成果有望获得高性能的储钾正极材料,为新型高熵材料的科学设计、高效制备及在储能领域的应用提供理论指导和技术途径。
英文摘要
High entropy oxide (HEO) is a new multicomponent complex with disordered cationic array and it exhibits high structure stability and superhigh ionic conductivity, which make it great application potential in energy storage filed. This project proposes to use high entropy structure to design cathode materials for potassium ion batteries, we focus on the potassium-ion storage properties of HEO with layered structure, and we plan to investigate the composition design and formation mechanism of the layered high entropy oxide and figure out the potassium storage mechanism of HEO. Specifically, first, we decide to predict the phase structure and the stability of transition metal HEO by the first principle calculation. Furthermore, we will fabricate a series of HEOs by high temperature solid phase method and investigate the structure evolution mechanism via in-situ variable temperature XRD technology. Moreover, we will change the composition of HEO and investigate the effect of single element to the formation of HEO, and finally obtain the formation mechanism of HEO as well as structure adjustment and control approaches. Second, we will systemically measure the potassium-ion storage performances of HEOs by both half-cells and full-cells, study the effects of composition and fabrication conditions on the electrochemical performances of HEO, and ascertain the key influence factors for performance regulation. Third, we will combine various in-situ technologies with theoretical calculation to reveal the structure evolution of HEO during the charge/discharge process and build a model to ascertain the storage mechanism of HEO. As a result, it is hopeful to acquire a kind of high-performance cathode material for potassium ion batteries. Moreover, these results will be able to provide theoretical guidance and technical approach for scientific design, efficient fabrication, and the application of HEO in energy storage field.
高熵氧化物(HEO)是一种阳离子无序排列的新型多组分化合物,具有高稳定性、超高离子电导率等优点,在储能领域应用潜力巨大。本项目提出利用高熵结构设计钾离子电池正极材料,以高熵氧化物为研究目标,围绕其形成机制、储钾性能及机理展开研究。具体如下:首先,针对高熵材料,系统探究了尖晶石、岩盐结构、双相结构的形成机制及结构调控规律。其次,采用高温固相法制备了一系列单一元素掺杂(Fe、Co、Ni、Ti、Mg等)改性层状锰基正极材料,系统探究了单一元素的作用机制。在此基础上设计双元、三元掺杂改性的高熵层状锰基正极,利用XRD追踪其结构演变过程,揭示了HEO的形成机制,获取了成分设计原则及结构调控途径;研究了高熵氧化物在钾离子半电池及全电池中的电化学性能,探究了高熵氧化物的组成及合成条件对储钾性能的影响规律,探明了关键影响因素及性能调控途径;发现Ti、 Al 组分掺杂的锰基正极材料的可逆储钾容量达到 127.5mAhg-1和 120.3mAhg-1,Ti-Al双掺杂的高熵氧化物拥有优异的倍率和循环性能。此外,系统研究了不同含量的阴离子 F对材料的晶体结构与电化学性能的影响,证实了掺杂 F会对材料的晶格参数和氧化还原产生影响,适量的 F能够提升材料的循环稳定性与初始放电容量。多元阳离子(Zn、Ti、Al)和阴离子F双调控的高熵材料可逆储钾容量达131.8mAhg-1,容量和稳定性优于现有报道的大多数锰基正极材料。利用非原位XRD技术揭示了HEO充放电过程中结构、成分演变规律,揭示了其储钾机理。该研究成果获得了高性能的储钾正极材料,为新型高熵材料的科学设计、高效制备及在储能领域的应用提供理论指导和技术途径。
三维碳网络限域锑基合金纳米复合结构的原位构筑、表界面调控及储钾机理研究
  • 批准号:
    51871046
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    60.0万元
  • 批准年份:
    2018
  • 负责人:
    王志远
  • 依托单位:
锂离子导体、电子导体“同层-双相”共包覆富锂锰基正极材料及其界面研究
  • 批准号:
    51404055
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万元
  • 批准年份:
    2014
  • 负责人:
    王志远
  • 依托单位:
国内基金
海外基金