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研究方向
研究方向
發(fā)布日期：2021-09-17
● 鋰離子電池與超級(jí)電容器材料與技術(shù)
鋰離子電池和超級(jí)電容器廣泛應(yīng)用于便攜式電子設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)基站、電動(dòng)汽車(chē)等的動(dòng)力電源，也被廣泛用做風(fēng)能、太陽(yáng)能等的能源儲(chǔ)備系統(tǒng)。鋰離子電池和超級(jí)電容器的質(zhì)量、體積比能量和比功率及循環(huán)壽命、安全性等指標(biāo)與構(gòu)成電池和超級(jí)電容器的電極材料關(guān)系密切，因此開(kāi)展相關(guān)電極材料相關(guān)基礎(chǔ)和應(yīng)用技術(shù)研究對(duì)于發(fā)展高效鋰離子電池和超級(jí)電容器具有重要意義。該研究方向的主要研究?jī)?nèi)容包括如下：
(1) 高效低成本硅碳鋰離子負(fù)極材料制備與應(yīng)用：
硅理論儲(chǔ)鋰容量4200 mAh/g，在充放電過(guò)程硅發(fā)生嚴(yán)重體積效應(yīng),導(dǎo)致電極粉化影響電池穩(wěn)定性。多孔硅結(jié)構(gòu)可緩解硅的體積變化，其孔道結(jié)構(gòu)能為離子快速傳輸提供通道，進(jìn)一步對(duì)多孔硅進(jìn)行炭包覆可提高材料導(dǎo)電性，這些都有利于電池倍率性能。國(guó)際電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)軍者特斯拉公司2017年在石墨負(fù)極加入10%硅粉，電池能量密度提升了20%，為硅碳負(fù)極提供了可期待的市場(chǎng)前景。 實(shí)驗(yàn)室主要研究構(gòu)建高孔隙率的納米硅碳復(fù)合材料方法與技術(shù)工藝，實(shí)現(xiàn)高容量，高循環(huán)穩(wěn)定性，高功率密度的硅碳負(fù)極材料制備與應(yīng)用。
(2) 多孔碳結(jié)構(gòu)與表面化學(xué)調(diào)控及其高效超級(jí)電容器：
超級(jí)電容器的特點(diǎn)是功率高、循環(huán)壽命長(zhǎng)，在電動(dòng)汽車(chē)領(lǐng)域可在動(dòng)力系統(tǒng)中補(bǔ)充電池功率不足的弱點(diǎn)，因而也成為電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的重要技術(shù)內(nèi)容之一。實(shí)驗(yàn)室將利用在多孔碳納米材料方向的研發(fā)優(yōu)勢(shì)，基于雙電層和法拉第反應(yīng)的儲(chǔ)能機(jī)理，研究制備適宜電荷堆積和利于離子傳輸?shù)木哂懈弑缺砻娣e的有序多孔碳納米材料，設(shè)計(jì)高比容量和比功率的超級(jí)電容器。通過(guò)研究調(diào)控納米碳材料組織結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)特性，開(kāi)發(fā)雙電層和法拉第混合型超級(jí)電容器。
(3) 鋰離子電池全固態(tài)電解質(zhì)合成與性能研究：
鋰離子電池因其具有較高的理論容量和能量密度、環(huán)境友好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用的主要高性能電池，特別是高比能量的鋰電池有望應(yīng)用于電動(dòng)汽車(chē)、航空航天和國(guó)防裝備等領(lǐng)域。但液態(tài)電解質(zhì)的金屬鋰電池內(nèi)部，充放電過(guò)程中金屬鋰表面會(huì)形成孔洞和枝晶，導(dǎo)致鋰電極粉化。同時(shí)鋰枝晶可能會(huì)刺穿多孔聚合物隔膜造成電池內(nèi)短路，粉化后的鋰電極與液態(tài)電解質(zhì)間的界面副反應(yīng)會(huì)更為嚴(yán)重，導(dǎo)致界面電阻增加并帶來(lái)安全問(wèn)題,該研究方向主要從事鋰離子電池電解質(zhì)方面的研究，構(gòu)建新型的有機(jī)聚合物復(fù)合的全固態(tài)電解質(zhì)體系。重點(diǎn)解決鋰離子電池的安全性及鋰枝晶生長(zhǎng)等關(guān)鍵問(wèn)題，研究鋰離子快速傳導(dǎo)機(jī)制和界面形成過(guò)程，實(shí)現(xiàn)全固態(tài)鋰離子電池發(fā)展和應(yīng)用。
● 高效ORR催化劑與質(zhì)子膜燃料電池技術(shù)
質(zhì)子膜燃料電池其燃料通常為空氣和氫氣，而排放物為水，是最為理想的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)之一，也是下一代電驅(qū)動(dòng)汽車(chē)的理想動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。目前質(zhì)子膜燃料電池因氧還原反應(yīng)催化劑要使用貴金屬鉑，而其價(jià)格昂貴資源缺乏，且易發(fā)生催化劑中毒，因而導(dǎo)致燃料電池仍難以商業(yè)化應(yīng)用。在該研究方向，實(shí)驗(yàn)室主要開(kāi)展高效低成本的ORR催化劑合成與應(yīng)用研究。
(1) 無(wú)金屬碳基催化劑合成與其ORR催化機(jī)理：
以多孔碳的孔結(jié)構(gòu)與表面化學(xué)官能團(tuán)為研究對(duì)象，研究碳基催化劑孔結(jié)構(gòu)對(duì)反應(yīng)物傳輸，表面官能團(tuán)對(duì)ORR催化，及其孔結(jié)構(gòu)與表面化學(xué)對(duì)ORR的共同影響機(jī)理?；贠RR機(jī)理研究，研究開(kāi)發(fā)單元素和多元素?fù)诫s的多孔碳高效ORR催化劑。
(2) 基于多層次結(jié)構(gòu)的多重ORR催化非貴金屬催化劑合成與應(yīng)用：
研究合成由過(guò)渡金屬位、（N/P/S）原子摻雜位、金屬-氮鍵（Me-Nx）構(gòu)筑的多層次結(jié)構(gòu)的燃料電池陰極催化劑。通過(guò)研究多重ORR活性位催化及可能存在的協(xié)同催化效應(yīng)，制備高效ORR催化劑，研究其在質(zhì)子膜燃料電池中的應(yīng)用特性。
● 清潔高含能量材料-多氮化合物合成與應(yīng)用
含能材料是發(fā)射藥（火藥）、炸藥、推進(jìn)劑等的主要成分，是實(shí)現(xiàn)推進(jìn)、拋射、爆炸摧毀等目的的能量來(lái)源。多氮或聚合氮物質(zhì)因氮氮單鍵或雙鍵向氮氮三鍵轉(zhuǎn)化釋放大量的能量，一直以來(lái)是追求的最佳的候選者。通常來(lái)說(shuō)，多氮化合物通常是指分子結(jié)構(gòu)中含有多個(gè)氮原子直接相連的化合物。由于其高氮低碳?xì)浜恳约敖Y(jié)構(gòu)高張力使得此類(lèi)物質(zhì)普遍具有高的生成熱，且易于實(shí)現(xiàn)氧平衡。同時(shí)由于其分解產(chǎn)物為清潔的氮?dú)?，也是未?lái)作為高密度能量材料在火藥、推進(jìn)劑等領(lǐng)域的重點(diǎn)發(fā)展對(duì)象。但是多氮化合物普遍存在制備方法和穩(wěn)定性差等不足，本研究方向主要基于五唑（五元氮環(huán)）的結(jié)構(gòu)，開(kāi)展新型化合物的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和探索實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)研究結(jié)構(gòu)和性能之間的協(xié)同作用機(jī)理研究。