(002)取向石墨化碳材料的制备及其储钾性能
批准号:
22075268
项目类别:
面上项目
资助金额:
63.0 万元
负责人:
林宁
依托单位:
学科分类:
电能源化学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
林宁
中文摘要
石墨与钾离子可以形成KC8插层化合物,储钾比容量为279mAh/g,是具有潜力的钾离子电池负极材料。最近,申请人制备的(002)晶面取向的石墨化碳纳米棒,具有更多的晶面边界插层位点,发现其与石墨有接近的低嵌钾电位、快速的离子传输速率和长循环寿命 (Angew. Chem Int. Ed.)。本项目旨在拓展高温水热、熔盐热体系,通过调控(002)晶面取向制备不同维度、尺寸的石墨化碳材料提升钾离子储存性能。拟改变温度、压力、酸碱度、溶质等参数来调控水热反应体系;拟调整无机盐组分、催化诱导剂等参数设计熔盐体系的热分解或化学反应;总结高温水热、熔盐热反应规律,促进(002)晶面取向生长,制备一维、二维或三维的高取向石墨化碳材料。结合电化学测试、原位/非原位表征技术分析不同维度、尺寸的石墨化碳材料的储钾机制,兼顾比容量、电压平台、倍率性能和循环寿命。筛选几种负极材料探索组装全电池。
英文摘要
Graphite and potassium ions can form a KC8 intercalation compound with a specific capacity of 279 mAh/g, which is considered as a potential anode material for potassium ion batteries . Recently, the applicant prepared graphitic carbon nanorods with (002) crystal plane orientation, which expose more crystal plane boundary sites for intercalation , exhibit low potential close to the value for potassium ions inserting into graphite, fast ions transport and long-term stability (Angew. Chem Int. Ed.). This project aims to expand the high-temperature hydrothermal and molten-salt thermal systems and adjust the (002) crystal plane orientation to fabricate graphitic carbon materials of different dimensions and sizes. It is planned to adjust the hydrothermal reaction system by changing parameters such as temperature, pressure, pH, solute, etc .; to adjust the parameters of the inorganic salt composition, catalytic inducer and other parameters to design the thermal decomposition or chemical reaction in the molten-salt system; to summarize the regular patterns of the high temperature hydrothermal and molten-salt heat and promote the (002) crystal plane orientation growth to prepare one-, two-, or three-dimensional graphitic carbon materials. Combined with electrochemical tests and in-situ/ex-situ characterizations to analyze the potassium storage mechanism of graphitic carbon materials with different dimensions and sizes, taking into account specific capacity, voltage platform, rate performance and cycle life. Selecting several anode materials to explore the assembly of full batteries.
碳材料作为电极材料、导电剂和复合基体在电化学储能体系中扮演着不可或缺的角色。然而,硬碳、软碳和石墨等碳材料的电化学性能受限于其缓慢的传输动力学,影响了其容量和倍率性能的充分发挥。研究表明,通过提高石墨化程度、减少结构缺陷以及优化(002)晶面取向,可以显著提升钾离子电池(PIBs)等电化学体系的储能动力学性能。因此,开发新型(002)取向石墨碳材料体系对于推动钾离子电池性能的进一步提升具有重要的科学意义和实用价值。.基于上述背景,申请人以(002)取向石墨化碳材料的制备及其电化学储能机制研究为出发点,发展了多种化学和物理方法,包括发展高温水热法、镁诱导溶剂热、高压热解等工艺成功合成了(002)取向石墨化碳材料,有效提升电子传输并缩短离子输运路径从而实现动力学性能提升;利用压力气氛调控、高温溶剂热等策略实现了石墨化碳材料的不同孔隙率和表面化学构型精确调控,阐明了微结构优化对离子传输和优异倍率性能的关键作用;开发新型制备工艺实现C-C/C-O键向C=O/O=C-O键的定向转化,深入探究了sp²/sp³杂化碳调控与电化学性能的构效关系;设计构建异质结构和复合组分协同作用实现快充和长循环性能。此外,申请人将石墨碳材料应用于硅基负极体系,系统研究了硅碳负极的体积膨胀应力机制;创新性地采用含氟碳量子点包覆SiO颗粒,诱导形成富含LiF的SEI层,优化界面稳定性。上述研究丰富了碳材料在电化学储能性能改善的研究内容,为下一代高性能二次电池的开发奠定了重要理论基础和技术支撑。
国内基金
海外基金