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钠离子电池层状氧化物正极材料相变机理与稳定性研究

批准号:
52102302
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
王鹏飞
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:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
王鹏飞

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
在众多电化学储能技术中,钠离子电池由于钠资源丰富、低成本、高安全、免维护等优点,在大规模储能领域具有广阔的应用前景。层状氧化物正极材料比容量高、合成简单、环境友好,是目前最有希望实现商业化的一类正极材料。由于钠离子的离子半径较大,钠离子在层状氧化物材料结构内部进行脱嵌时,造成这类材料的电化学反应和相变行为都比较复杂。而且层状正极材料在暴露空气时,水分子和二氧化碳会嵌入结构内部,引起结构发生不可逆的衰变。本项目将针对层状氧化物正极材料普遍存在的相变复杂和空气稳定性差的关键科学问题,通过晶体位点掺杂、空位无序构建、表界面结构调控等策略,结合先进的材料分析方法和理论计算指导,在多层次上(分子、纳米、微米)探究钠离子电池氧化物正极材料体系电化学工作中的相变机理、结构衰变机制,揭示限制层状正极材料电池性能的关键因素,为开发高性能钠离子电池层状正极材料和推进钠离子电池关键技术商业化提供科学指导。
英文摘要
Among many electrochemical energy storage technologies, sodium-ion batteries have shown great promise in grid-scale energy storage due to the abundant sodium resources, low cost, high safety, and maintenance-free. Layered oxides are considered as a class of promising framework compounds possessing a large specific capacity, simple synthesis and environmental friendliness, leading to their potential applications as positive electrode materials. Due to the large ion radius of sodium ions, sodium-intercalation layered oxide cathodes have to bear complex electrochemical behaviors and phase transition during the charge/discharge process. Moreover, when the layered cathode material is exposed to air, water molecules and carbon dioxide will be embedded in the structure, causing irreversible structural decay. This project mainly focuses on the complex phase transitions and poor air stability of layered oxide cathode materials. Through crystal structure site doping, vacancy disorder construction, and surface/interface structure control, combined with advanced material analysis methods and theoretical calculation, the phase transition mechanism and structural decay mechanism of layered oxide cathodes are investigated at multiple levels (molecules, nanometers, micrometers). This project provides scientific guidance for the development of high-performance layered cathode materials and the commercialization of key technologies for sodium ion batteries.
在众多电化学储能技术中,钠离子电池由于钠资源丰富、低成本、高安全、免维护等优点,在大规模储能领域具有广阔的应用前景。层状氧化物正极材料比容量高、合成简单、环境友 好,是目前最有希望实现商业化的一类正极材料。由于钠离子的离子半径较大,钠离子在层状氧化物材料结构内部进行脱嵌时,造成这类材料的电化学反应和相变行为都比较复杂。而且层状正极材料在暴露空气时,水分子和二氧化碳会嵌入结构内部,引起结构发生不可逆的衰变。本项目将针对层状氧化物正极材料普遍存在的相变复杂和空气稳定性差的关键科学问题,在P2型正极材料通过晶体位点掺杂、构建空位无序、表界面结构调控等策略,有效解决了该类型材料在高电压条件下的大体积相变、正极-电解液界面不稳定、过渡金属离子溶出等问题,开发出的P2型正极材料1C下初始放电容量达到129 mAh/g,在100次循环后可保持95.4%的容量,并且电池在4.4 V的高电压下循环的平均库伦效率达到99.8%。在-30 ℃的低温环境下分别展现出92.5%和93.1%的高容量保持率,同时具备出色的长循环稳定性。在O3型材料通过提高过渡金属层内的构型熵来调控电子结构,匹配阻燃电解液实现了高度可逆的氧化还原反应和结构演化过程,O3型材料体系表现出极小的电压滞后(0.09 V),在大电流密度下的倍率性能也表现优异(10C可逆容量为98.6 mAh/g),5 C下循环2000次剩余约80%的容量。在“阳离子势”的指导下,提出了一种分层双相P2/O3结构材料并对其形成机理、晶畴分布和应力作用机制等关键问题进行了探究。在合成的降温阶段,钠从体相到表面的浓度梯度导致了体相O3晶畴和表面附近的P2晶畴的特殊分层结构。在P2晶畴的保护下,相边界的互锁效应从而导致结构损伤更小,有害副反应更少,并且在反复脱出和嵌入Na+时,体相O3结构不会出现晶内裂纹,实现了能量密度高达506 Wh/kg,200次循环后的容量保持率为85.5%。这项研究为开发高性能钠离子电池层状正极材料和推进钠离子电池关键技术商业化提供科学指导。
P2/O3-NaxNiyFezMn1-y-zO2单晶复合结构正极的晶畴调控与电化学储钠机制研究
  • 批准号:
    52472249
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    48.00万元
  • 批准年份:
    2024
  • 负责人:
    王鹏飞
  • 依托单位:
网络攻击下核电仪控系统多层级异常的迁移检测与应激缓解机制研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    55万元
  • 批准年份:
    2022
  • 负责人:
    王鹏飞
  • 依托单位:
执行器和传感器多故障并发的海洋核动力装置自主控制研究
  • 批准号:
    11805147
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万元
  • 批准年份:
    2018
  • 负责人:
    王鹏飞
  • 依托单位:
国内基金
海外基金