[00919424]储能用高性能复合电极材料的构筑及协同机理

该项目属于材料科学领域。高效能量存储是电动汽车、智能电网的关键技术，对新能源、新材料和新能源汽车国家战略新兴产业的发展具有重要意义。锂离子电池与超级电容器是两类主流电化学储能器件，如何进一步提高其能量密度、功率密度、循环寿命和安全性能，面临巨大挑战，这与电极材料的比容量、离子扩散性、电子导电性和结构稳定性密切相关。单一电极材料无法同时满足上述要求，构筑复合电极材料，发挥各组分协同效应，是提升电化学性能的有效途径。构筑复合电极材料存在以下难点：传统复合层有时不利于离子扩散，并可能产生高的界面电阻；高比容量组分往往会因为体积膨胀导致循环过程中粉化失效；高容量界表面储能活性位点一般稳定性较差等。为此，在国基金、863等项目支持下，项目组针对复合电极材料中离子/电子的传导机制、材料结构的演变规律以及界表面储能机理等关键科学问题，进行了深入系统的研究，主要科学发现如下：发现电化学活性材料包覆的复合电极材料储能协同增强效应，提出了通过氧化还原电位及能带结构匹配来构筑复合材料的新思路，所构筑的导电高分子复合LiFePO<,4>在1C倍率下比容量高达160 mAh g<'-1>，6分钟可以充至满容量的92%。发现金属氧化物经电化学重构可形成自适应体积变化的复合纳米团簇，提出了“共形强耦联”机制，用于构建锂离子电池负极材料，避免了充放电过程体积膨胀所导致的性能劣变，在不降低比容量的同时，将循环寿命提升一个数量级。发现通过氮掺杂可以大幅度提高微孔碳的储锂容量，提出了氮活性位点与界表面协同作用的“锂离子蓄水池’’储能模型，构筑了系列高活性分级多孔硬碳材料，其中，氮掺杂多孔碳在2A g<'-1>的电流密度下，600次循环后储锂容量仍达943 mAhg<'-1>,为所报道的硬碳材料中的最高值，接近石墨容量的3倍。基于上述3个科学发现，设计合成了系列高性能复合电极材料，分别适用于锂离子电池和超级电容器，显著提升了电化学性能。其中采用复合和掺杂技术的LiFePO<,4>正极材料在苏州工业园区已建生产线，低温和倍率性能优良，在动力电池龙头企业合肥国轩试用效果良好；分级多孔硬碳负极材料成果已转让华为。8篇代表作均为ESI高被引论文，SCI他引1577次，其中4篇入选ESI该领域前l‰热点论文，1篇入选2011年“中国百篇最具影响力国际学术论文”。20篇重要论文总他引2286次。成果被国际著名学者在Science、Nature子刊等权威期刊引用并好评。诺贝尔奖得主A. Heegar将该成果列为聚苯胺在储能领域的典型应用，德国马普所固态研究中心主任J. Maier指出“导电高分子修饰LiFePO<,4>是一种改善电化学性能的有效方法”，国际材料研究联合会前主席B. Chowdari肯定该成果“重构形成超细纳米颗粒导致氧化猛/石墨烯复合材料容量增加”。美国化学学会Chemical & Engineering News专题报道了该成果，以“Solid Performance”来评价该成果的电极材料性能。项目实施期间，培养了国家杰青1名、长江学者1名、优青2名、青年拔尖1名，获批教育部创新团队和教育部重点实验室。