高比能水系钠离子电容器结构-电解质协同设计、储钠机理与功能化
批准号:
52072136
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
李园园
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:
李园园
中文摘要
水系钠离子电容器安全、成本低、功率高,但正负极精准匹配难、电压低是长期制约其发展的关键问题。本项目提出协同引入赝电容材料和廉价高浓度电解质,将赝电容MnO2和MoO2与电池型NaTi2(PO4)3和氟磷酸钒钠配对,构建两类全新水系钠离子电容器。不同于常规双电层电极,赝电容同时在容量和反应动力学上与电池型电极良好匹配,最大程度提升器件容量;而高浓度电解质中几乎所有水分子均与Na+强烈配位,电活性低,可实现~2.8 V器件高电压,使比能量翻倍。进一步设计刚柔兼备的高浓度双网络水凝胶聚合物电解质,赋予器件良好柔性和机械强度;利用聚合物链极性基团对有限水分子的限域与氢键结构调制,极大促进器件的环境适应性。项目还重点研究电极储能机理、负极SEI成因以及高浓水凝胶电解质组分间相互作用与Na+传导机制,构筑高能量、长循环和一定功能化(柔性、环境稳定)的混合电容器,为水系钠离子储能器件的发展提供科学参考。
英文摘要
Aqueous sodium ion capacitors (ASICs) are safe, inexpensive and with high power density. However, the difficulty in the charge and kinetics balance between cathode and anode as well as the low voltage has been hindering the development of ASICs. In this proposal, with the simultaneously introduction of pseudocapacitive materials and low-cost high-concentration electrolytes, we construct two kinds of novel ASICs using pseudocapacitive MnO2 and MoO2 to pair with battery-type NaTi2(PO4)3 and sodium vanadyl fluoride phosphate. In our design, firstly, different from electric-double-layer capacitive materials, pseudocapacitive electrode in ASICs can easily achieve both the charge balance and reaction kinetics balance with battery-type electrode, greatly increasing the specific capacity of the device; secondly, nearly all the water molecules are coordinated with Na+ and have low electroactivity in the highly concentrated electrolytes, leading to high device working voltage of ~2.8 V and thus making the energy density doubled. In addition, by designing high-concentration double-network structured hydrogel polymer electrolyte with both rigid and flexible microstructures, good flexibility and high mechanical robustness of the device can be attained. Taking use of the confinement effect and hydrogen-bond structure modulation endowed by polar groups on the polymer chains towards limited water in the electrolyte, the environmental suitability of the device will also be promoted. Our proposal will also focus on the energy storage mechanisms of electrodes, anode SEI formation process and reasons and the interactions between components within the hydrogel polymer electrolyte as well as the Na+ conducting pathways & mechanism. With fully understanding these fundamentals, our purpose is to design ASICs with high energy density, long cycling stability and good functionality (flexibility, environmental stability, etc.). Our research will pave a new avenue to the development of high-performance aqueous sodium ion storage devices.
水系钠离子电容器通常具备安全性高、钠资源丰富、成本低廉和功率密度高等优点,但电容型电极与电池型电极在容量上的匹配困难大,且器件电压较低,长期限制其能量密度的提升。因此,引入高容量的电容型电极来构建器件,同时提高器件工作电压窗口是当前该领域的研究热点之一,但面临极大挑战。本项目设计合成了二氧化锰等高比容赝电容电极取代常规双电层电极,分别配对磷酸钛钠和氟磷酸钒钠电池型电极,实现了在容量和反应动力学上的同时匹配。为了改善器件工作电压窗口,协同设计制备了两种兼具良好柔性和机械强度的高浓盐水系钠离子凝胶电解质,采用多种谱学技术分析了聚合物基团与钠盐、水分子间的微观相互作用,揭示了聚合物分子和高浓盐破坏水分子间氢键结构、限域/限制水分子、拓宽电化学稳定窗口的作用机制,阐明了钠离子传导机理。进一步提出了预共形沉积和原位SEI转化策略,稳定了氟磷酸钒钠电池型正极,采用显微学技术(HRTEM、SEM)、谱学(TOF-SIMS、XPS等)、电化学阻抗谱EIS分析、DFT计算等揭示了SEI的原位演化机理。最终,构建了两类全新高电压水系准固态钠离子电容器,阐明了器件性能增强的关键因素。所得混合电容器最大比能量为常规水系钠离子电容器的2倍,可在极端形变(弯折180度)、低温(-20 ℃及以下)等环境条件下正常工作,展现出优异的环境适应性。本项目的实施为新型水系钠离子电容器结构设计提供了有益的参考与借鉴,对高比能、多功能、极端环境服役能力强的水系混合电容器的发展具有十分重要的科学意义。
H3K64甲基化在卵母细胞发育中的功能和机制研究
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批准号:82301867
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:30万元
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批准年份:2023
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负责人:李园园
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依托单位:
高容量低电位水系嵌镁负极与宽温域镁离子电池/电容器
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批准号:--
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项目类别:面上项目
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资助金额:54万元
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批准年份:2022
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负责人:李园园
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依托单位:
高比能水系钠离子电容器结构-电解质协同设计、储钠机理与功能化
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批准号:--
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项目类别:--
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资助金额:58万元
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批准年份:2020
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负责人:李园园
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依托单位:
Mn(II)基氧化物电活化调控及其高电压水凝胶电解质微型超电容三维一体化设计
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批准号:51872104
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项目类别:面上项目
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资助金额:60.0万元
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批准年份:2018
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负责人:李园园
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依托单位:
新型BiOBr-BiOI/TiO2纳米异质有序阵列的生长调控与光电性能研究
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批准号:11104088
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:24.0万元
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批准年份:2011
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负责人:李园园
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依托单位:
国内基金
海外基金