课题基金 / 基金详情

凝胶限域热还原衍生高熵Si–M–C负极材料及其储锂机制

批准号:
52072181
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
吴平
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:
吴平

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
硅基材料具有比容量高、工作电位适中和资源丰富等优点,采用硅基负极材料替代商业化碳材料是构建下一代高能量密度锂离子电池的关键技术之一。但是,该类材料存在体积形变大、固体电解质界面膜厚且不稳定和反应动力学缓慢的三大本征问题,严重制约了硅基材料的实际应用。针对上述问题,本项目提出以“硅胶/氰胶”互穿网络凝胶为前驱体、通过限域热还原路线制备高熵Si–M–C材料,作为锂离子电池负极材料的新思路。利用多种活性/惰性金属和碳组分共同克服硅的本征问题,同时利用高熵效应最大程度发挥多组分功能并赋予熵增益储能机制,协同提升Si–M–C材料的循环寿命、库仑效率和倍率性能。在此基础上,研究并揭示高熵Si–M–C材料的“组成/构型熵–储锂性能/机制”复杂构效关系,通过组成与构型熵设计进一步调控并优化其储锂性能,进而获得综合性能优异的实用化硅基负极材料。
英文摘要
Silicon-based materials possess high specific capacities, proper working potentials, and natural abundance, and replacing commercial carbon materials by silicon-based anodes has been one of the key techniques to build next-generation Li-ion batteries with high energy densities. Unfortunately, there are three intrinsic challenges including tremendous volume variation, thick and unstable solid electrolyte interphase film, and sluggish reaction kinetics, which severely restrict the practical implementation of silicon-based materials. To overcome these challenges, in this project we propose a confined thermal reduction route toward high-entropy Si–M–C anodes for lithium storage, using interpenetrating network gels of SiO2 gels and cyanogels as precursors. Multiple active/inactive metals and carbon components are vital to overcome the intrinsic challenges of silicon, and meanwhile, high-entropy effects are beneficial for fully realizing the functions of multi components and endowing entropy-gain energy-storage mechanisms, co-improving the cycling life, Coulombic efficiencies, and rate capability of Si–M–C anodes. Moreover, the complex relationships between composition/configurational entropy and Li-storage performance/mechanism of high-entropy Si–M–C anodes will be examined and uncovered. Furthermore, the Li-storage performance of high-entropy Si–M–C anodes will be modified and optimized through their composition and configurational entropy design, with the purpose of obtaining practical silicon-based anodes with excellent overall performance.
硅基材料具有比容量高、工作电位适中和资源丰富等优点,采用硅基负极材料替代商业化碳材料是构建下一代高能量密度锂离子电池的关键技术之一。但是,该类材料存在体积形变大、固体电解质界面膜厚且不稳定和反应动力学缓慢的三大本征问题,严重制约了硅基材料的实际应用。针对上述问题,本项目提出采用胶体路线制备高度均匀化Si–M–C多组分材料,作为锂离子电池负极材料的新思路。具体来说,采用同步凝胶化、原位凝胶化和溶胶自组装等胶体路线制备出一系列硅、金属和碳源均匀分布的凝胶和溶胶体系;随后采用镁热还原、湿化学还原和热自还原等过程将多种活性/惰性金属(Sn、Fe、Co、FeCo、CoSi2和FeSi2等)以及不同碳基介质(无定形碳、石墨烯、导电/粘结聚合物和碳化物等)引入到硅负极材料形成Si–M–C多组分负极材料。采用电化学技术结合原位/非原位光谱和电镜表征揭示不同活性/惰性金属和碳基介质改善反应动力学、抑制Li15Si4结晶相的形成、降低首圈不可逆副反应以及稳定电极/电解液界面的电化学机制。利用活性/惰性金属和碳基组分的复合效应和协同机制来共同克服硅的本征问题,提升Si–M–C多组分材料的循环寿命、库仑效率和倍率性能。研究并揭示“组成/结构/界面/构型熵–储锂性能/机制”复杂构效关系,进而对Si–M–C多组分材料的储锂性能进行调控和优化,获得综合性能优异的实用化硅基负极材料。同时,基于胶体独特的物理化学性质,本项目在相关材料体系和应用领域方面进行了拓展研究,采用胶体路线制备出一系列具有良好电化学性能的多孔纳米片、限域异质结和无定形合金等电化学能源材料用于能量存储与转换。本项目为设计合成新型锂离子电池硅基多组分材料、理解电极材料构效关系进而获得实用化硅基负极材料提供了重要的思路。
氰胶前驱体法制备三维纳米多孔锡基合金及其储锂性能研究
  • 批准号:
    51401110
  • 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:
    吴平
  • 依托单位:
国内基金
海外基金