钠离子电池阴离子氧化还原材料结构设计与机制研究
批准号:
22075132
项目类别:
面上项目
资助金额:
63.0 万元
负责人:
郭少华
依托单位:
学科分类:
电能源化学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
郭少华
中文摘要
钠离子电池阴离子氧化还原材料通过阴离子活性可提供较高比容量,从而有效降低钠离子电池的单位能量密度成本。但是,阴离子氧化还原反应存在一些基本科学问题,不可逆氧损失,动力学反应缓慢,主体结构稳定性差。本项目提出结合理论计算设计合成阴离子氧化还原材料,并调控材料的晶体结构、超结构、组分配比以及合成工艺等参数实现高的阴离子活性;结合原位拉曼光谱、微分电化学质谱和软X射线吸收谱等技术研究氧离子氧化还原反应的微观机制;利用离子掺杂、表面包覆等手段增强材料与氧的结合能力,增强阴离子氧化还原可逆性;通过阴阳离子氧化还原过程的分子动力学模拟与电化学测试,研究阴离子氧化还原的动力学特性,获得提升反应动力学的方法;通过研究主体结构演变规律和调控微观结构,获得稳定化阴离子氧化还原材料的策略。在此基础上,构建可逆性高、动力学反应快速、结构稳定性好的阴离子氧化还原新材料体系,为发展先进的钠离子电池技术提供技术支持。
英文摘要
The anion redox material releases a high reversible capacity based on anionic activity, which can effectively reduce the unit energy density cost of sodium-ion batteries. However, there are several basic scientific issues in the anionic redox reaction, such as the loss of irreversible oxygen, the sluggish kinetics and the poor stability of the layered structure. This project proposes to design and synthesize the anion-redox materials based on the theoretical calculation, and adjust the parameters of crystal structures, superstructures, compositions, and element ratios for target materials; to study the microscopic mechanism of oxygen redox reaction by in-situ Raman spectroscopy, differential electrochemical mass spectrometry and soft X-ray absorption spectroscopy; to enhance the ability of binding with oxygen, and reduce the side reaction of the electrode surface by means of ion doping and surface coating; to study the kinetic parameters of anion redox and obtain methods for improving reaction kinetics by molecular dynamics simulation and electrochemical test during anion-cation redox process; to obtain the strategy of stabilizing layered structure by studying the evolution mechanism of the main structure and regulating the microstructure. On the basis of above, this project will construct new anion redox material systems with high reversibility, fast kinetic reaction and good structural stability, and provide technical support for the development of advanced sodium-ion battery energy storage technology.
钠离子电池因其资源丰富、价格低廉而成为大规模储能的理想选择。相较于锂离子电池,钠离子电池的能量密度依然相对较低。阴离子氧化还原正极材料通过阴离子活性提供较高比容量,是解决上述问题的有效策略。然而,钠离子电池阴离子氧化还原正极材料面临不可逆氧损失、动力学反应缓慢和主体结构稳定性差等问题。本项目主要围绕开发高容量、高倍率和高稳定性钠离子电池正极材料开展多方面研究,先后提出过渡金属元素钉扎效应、结构原子的杂原子取代、调控氧空位、超晶格单元设计、Ru/Ti共掺杂和高熵策略等,有效抑制了正极材料在充放电过程的过渡金属溶解、过渡金属迁移和晶格应变,提升了材料结构稳定性,所开发的正极材料实现了超过1000圈的循环稳定性和10C的倍率性能。通过构建双蜂窝-超晶格结构,成功开发了首圈可逆容量高达285.9 mA h g-1的层状正极材料。此外,本项目的成功实施促进了对正极材料过渡金属离子迁移机制、晶格氧活性和可逆性平衡等问题的理解。依托该项目,还进行了钠电负极材料、锂电正极材料、锌电正极材料等方面的探索;利用有机含钠分子修饰,成功开发首圈库伦效率大于96.3%,循环寿命超过1600次的硬碳负极材料。本项目为操控层状正极的结构演变和电化学过程开辟了新视野,并为设计先进钠离子电池开辟新道路。
基于多结构复合的高性能钠离子电池氧化物正极材料
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批准号:52372195
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项目类别:面上项目
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资助金额:50万元
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批准年份:2023
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负责人:郭少华
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依托单位:
钠离子电池用高稳定性锰基层状正极材料研究
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批准号:51802149
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:25.0万元
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批准年份:2018
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负责人:郭少华
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依托单位:
国内基金
海外基金