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基于Nafion/LixY(Y:F、N、O、P)复合材料构造Li-S电池中锂负极人工SEI膜及其稳定性的研究

批准号:
52072099
项目类别:
面上项目
资助金额:
59.0 万元
负责人:
张喜田
依托单位:
学科分类:
无机非金属能量转换与存储材料
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
张喜田

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
针对锂硫电池中锂负极不稳定,即锂枝晶生长和放电产生的多硫化物溶解在有机溶液中并与金属锂负极发生可持续的副反应,SEI膜易破裂,本项目拟基于Nafion/LixY(Y:F、N、O、P)复合材料,构造锂负极人工SEI膜,研究锂硫电池中锂负极稳定性。应用密度泛函理论和分子动力学模拟探索最有潜力的人工SEI膜的组分构成。设计和制备人工SEI膜,研究人工SEI膜的稳定性,建立其组分和结构与性能关系。采用离线和在线研究相结合,通过表征金属锂负极的形貌、结构、物理性质、化学性质、是否可逆,研究电化学锂沉积过程及锂枝晶微结构的形成机制。结合实验,理论模拟锂枝晶生长过程,揭示锂枝晶生长机制,建立人工SEI膜的成分-结构-性能关系,发展一种有效抑制锂枝晶生长和控制锂负极副反应发生的普适方法。这些研究为科学设计、可控合成高质量人工SEI膜,实现锂负极稳定以及锂硫电池高能量密度和长循环寿命提供科学依据和新思路。
英文摘要
The instability of the Li anode in Li-S batteries originates from the Li dendrite growth, side reactions between the Li anode and polysulfides, which are easily dissolved in organic electrolyte during charge/discharge processes, as well as the fragileness of the SEI film. In this project, we are going to construct an artificial SEI film of the Li anode based on the Nafion/LixY(Y:F、N、O、P)composite materials, and investigate the stability of the modified Li anode in Li-S batteries. First, we are going to determine one or two promising Nafion/LixY(Y:F、N、O、P)composite materials as an artificial SEI film based on the DFT calculation and molecular dynamics simulation. Followed by that, the artificial SEI films will be designed and prepared successfully. Their stability and the structure-property relationships of the artificial SEI film will be investigated and established. By combining off-line approach with in situ observation, the Li plating/stripping behaviors and the formation mechanism of the Li dendrite microstructure will be explored by characterizing the morphology, component, physical properties, chemical properties, reversible electrochemical performance of the Li anode. Subsequently, we will theoretically simulate the growth process of the Li dendrite and propose the formation mechanism of the Li dendrite, revealing the relationship between the component, microstructure, and performance of the artificial SEI films, and develop a general approach to efficiently inhibit the Li dendrite growth and control the side reactions of the Li anode, based on the previous studies. This work could provide an open idea and scientific evidence for rational design and preparation of a high-performance artificial SEI film for the stable Li anode and Li-S batteries with a high energy density and long cycling life.
本基金项目紧密围绕锂硫(Li-S)电池锂负极的关键问题,包括锂负极锂枝晶生长失控、体积效应显著以及严重腐蚀现象,致使Li-S电池循环寿命大幅缩短、库伦效率低下、能量密度受限且安全性面临严峻挑战。为解决上述问题,团队成功合成并持续迭代优化了多类人工SEI膜,包括Nafion/TiO₂、富含LiF、Li₃N等关键无机组分的杂化人工SEI膜、具备独特自愈合能力的有机-无机人工SEI膜等、以及创新性地在有机-无机杂化人工SEI膜中引入亲锂合金的新型材料体系。运用先进的DFT计算、精准的动力学分析模拟技术、系统的电化学性能测试以及原位测试等综合研究手段,揭示了人工SEI膜物理/化学特性对锂成核/沉积动力学和形态的影响规律;阐明了人工SEI膜抑制锂负极表面副反应的机理;发现了界面电子/离子迁移能垒在锂成核与沉积过程中的调控作用,并将这些影响与Li-S全电池的循环性能和倍率性能进行关联映射,成功构建了人工SEI膜组分-结构-性能构效关系模型。其中,性能最佳的人工SEI膜可使锂-锂对称电池的循环寿命达到1600小时,且保持较低的极化电压;可以使锂沉积/剥离的库伦效率达到99.59%;可使能量密度为达到350wh/kg的锂硫电池稳定循环160圈,这些性能均处于较高的水平。截至目前依托本项目发表标注SCI论文21篇,其中一区8篇,项目执行期间成功培养毕业硕士研究生9名,博士研究生2名,同时现有在读硕士生6名、在读博士生4名,形成了良好的科研人才梯队传承。综上所述,本基金项目全面达成预期目标,为锂硫电池技术的进步与发展提供了坚实支撑与重要推动力量。
基于Nafion/LixY(Y:F、N、O、P)复合材料构造Li-S电池中锂负极人工SEI膜及其稳定性的研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    --
  • 资助金额:
    59万元
  • 批准年份:
    2020
  • 负责人:
    张喜田
  • 依托单位:
基于3D MXene 纳米结构构筑Li-S电池的正极材料及其电化学性能的研究
  • 批准号:
    51772069
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    60.0万元
  • 批准年份:
    2017
  • 负责人:
    张喜田
  • 依托单位:
过渡金属碳化物电极材料的设计、可控合成、Li+离子嵌入及其电化学储能特性研究
  • 批准号:
    51472066
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    88.0万元
  • 批准年份:
    2014
  • 负责人:
    张喜田
  • 依托单位:
一维InGaO3(ZnO)m异质超晶格纳米结构的可控合成及其场效应晶体管
  • 批准号:
    51172058
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    60.0万元
  • 批准年份:
    2011
  • 负责人:
    张喜田
  • 依托单位:
国内基金
海外基金