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多元协同掺杂与复合化调控NASICON型AxTi2(PO4)3的储钾特性

批准号:
52072325
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
刘黎
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:
刘黎

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
钾离子电池是极具研究价值与应用前景的新型二次电池,负极材料是其研究重点与应用瓶颈。钠快离子导体AxTi2(PO4)3(ATP)结构稳定,具有独特三维离子传输通道,有望实现K+快速且稳定嵌脱。但ATP中TiO6八面体被PO4基团分隔,导电性及倍率性能较差,且其储K机制基于Ti4+/Ti3+与Ti3+/Ti2+价态转换,比容量受限。本项目拟设计合成多元离子掺杂ATP复合材料,构筑多级微纳结构实现电子/离子快速迁移,利用赝电容效应提高其比容量与倍率性能;通过多元协同掺杂调节材料晶体结构,减小带隙、提高本征电子电导、调控充放电电位;利用碳复合构建三维电子导电网络,并与高容量材料复合提高储钾容量。运用材料表征及电化学测量技术,结合第一性原理计算,研究多元协同掺杂与复合对其性能的影响,探索储钾机理及复合组分间的性能耦合机制,揭示材料构性关系。本项目将为ATP材料在钾离子电池中的应用提供理论与实验基础。
英文摘要
Potassium ion batteries(KIBs) are promising novel secondary batteries with important research value. However, there remains a big challenge to develop high-performance anode materials for KIBs. AxTi2(PO4)3(ATP) has stable structure with unique 3D paths for ions diffusion and could realize the fast and stable insertion/deinsertion of K+. Thus, it is considered as one of promising anode materials for KIBs. However, the octahedral TiO6 are separated by the PO4 in its crystal structure, so it suffers from poor conductivity and worse rate capability. Besides, its potassium-storage mechanism is mainly based on the redox reaction of Ti4+/Ti3+ and Ti3+/Ti2+, so the specific capacity is limited. In this proposal, ATP composite with micro/nanostructures will be designed and synthesized. The micro/nanostructures are beneficial to ions/electrons diffusions and could bring pseudocapacitance effect, which favors specific capacity and rate capability. Multi-elements co-doping is utilized to adjust the electronic structure, change the band gap, improve the electronic conductivity, and control the working potential. Besides compositing with carbon, ATP is compounded with high-capacity materials to improve its specific capacity. Material characterizations and electrochemical measurements, combined with first principle calculation are used to investigate the multi-elements co-doping effects, the potassium storage mechanism of ATP composites, as well as the synergistic effects between ATP, carbon, and high-capacity components. This project will provide a theoretical and technical basis for ATP as anode materials for potassium ion batteries.
钾离子电池是极具研究价值与应用前景的新型二次电池,负极材料是其研究重点与应用瓶 颈。钠快离子导体AxTi2(PO4)3(ATP)结构稳定,具有独特三维离子传输通道,有望实现K+快速且稳定嵌脱。但ATP中TiO6八面体被PO4基团分隔,导电性及倍率性能较差,且其储K机制基于Ti4+/Ti3+与Ti3+/Ti2+价态转换,比容量受限。本项目采用水/溶剂热、静电纺丝、溶胶凝胶等多种化学、物理方法设计合成了多种具有多级微纳结构的AxTi2(PO4)3复合材料,如Ba0.5Ti2(PO4)3/C纳米球、Mn0.5Ti2(PO4)3纳米纤维膜、Mn0.5Ti2(PO4)3@F-C纳米复合材料、La0.33Ti2(PO4)3/C纳米纤维膜等;研究了阳离子、阴离子掺杂对材料储钾性能的影响,如研究发现材料在经钒掺杂后,更长的V-O键部分替代Ti-O键,增大了材料骨架,便利了离子在循环过程中的转移,适量的钒掺杂带来了更高的氧空位程度,进一步增强了材料的电子转移动力学;利用第一性原理计算方法,对多种NASICON型AxTi2(PO4)3材料的原子及电子结构进行了研究,如第一性原理计算表明,Mn0.5Ti2(PO4)3较KTi2(PO4)3而言具有更小的带隙,更适于用作钾离子储存材料;研究了AxTi2(PO4)3基材料与碳基材料的的复合化制备技术,阐明了复合材料的界面特性及耦合储钾机制;初步构建了以AxTi2(PO4)3复合材料作为负极的全钾电池体系,为AxTi2(PO4)3类负极材料的实际应用提供了重要的参考。
高性能钛基氧化物储钾复合负极材料
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    省市级项目
  • 资助金额:
    0.0万元
  • 批准年份:
    2026
  • 负责人:
    刘黎
  • 依托单位:
高熵铁基硫/硒化物-碳复合负极材料的可控构筑及储钾机制
  • 批准号:
    52372230
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    50万元
  • 批准年份:
    2023
  • 负责人:
    刘黎
  • 依托单位:
锡、锑硫化物@导电聚合物复合负极材料的可控构筑与储钠特性
  • 批准号:
    51672234
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    62.0万元
  • 批准年份:
    2016
  • 负责人:
    刘黎
  • 依托单位:
球形ACMB/Fe1-xMxF3/C复合锂离子电池正极材料的设计合成、结构调控及电化学性能
  • 批准号:
    51202209
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万元
  • 批准年份:
    2012
  • 负责人:
    刘黎
  • 依托单位:
国内基金
海外基金