《新型电池材料的理论与实验研究》

太阳能电池和锂离子电池是新能源产业的两大重要支柱,受到世界各国的高度重视,相关领域新材料的研究与开发正成为化学、材料和物理等众多学科共同瞩目的课题。系统研究新型电池材料的制备方法及其物理、化学性能与其结构之间的关系十分重要。

该项目以研究开发性能更好的新型电池材料为科学目标,在国家自然科学基金和973项目子课题的资助下,先后在染料敏化太阳能电池、钙钛矿太阳能电池、锂离子电池等领域开展了系统的研究工作,发表SCI论文40余篇,获授权发明专利4项。其中8篇代表性论文的主要发现如下:

(1)制备了Fe3O4与石墨烯复合微纳米电催化剂,将其用于柔性和刚性染料敏化太阳电池,光电转化效率分别达到8%和9%。柔性Fe3O4与石墨烯复合微纳米电催化剂对电极获得的效率也达到了非Pt对电极组装的DSCs的世界纪录。通过热释胶-层层转移的方法在柔性塑料PET基底上可控制备了高质量的大面积(21cm×15cm)的单层石墨烯和多层石墨烯,发现其在透过率和抗弯曲性能方面均优于传统的PET/ITO薄膜。结合开发的高性能Fe3O4@RGO电催化剂,PET/GE/Fe3O4@RGO对电极组装的电池性能进一步提高,可与PET/ITO/Fe3O4@RGO对电极组装的电池性能相当。该系列工作为太阳电池等光电器件提供了更多的材料候选体,为新型柔性导电薄膜产品的开发提供了基础。相关结果发表在J.Mater.Chem.A和ACS Appl.Mater.Interfaces等国际著名刊物上,已被他引35次。

(2)合成了无铅的有机无机层状钙钛矿(CH3NH3)2MnCl4单晶,制备了CH3NH3MnI3/TiO2异质结,组装成太阳电池器件后,测试发现其具有明显的光电压和光电流响应。该系列工作首次报道了锰系钙钛矿材料,为无铅钙钛矿光电功能材料的研究开拓了新的方向。相关结果发表在ACS Appl.Mater.Interfaces上,已被他引13次。

(3)合成了Mn3O4@C多孔纳米复合材料,将其用于锂离子电池,发现其具有优异的电化学性能。该系列工作为锂离子电池负极材料提供了更多的选择。相关结果发表在ACS Appl.Mater.Interfaces上,已被他引13次。

(4)采用超声-热处理的方法得到维分等级结构的SnO2微球,采用一步法制备了SnO2与石墨烯复合材料的复合材料,该方法成本低,简单易行。研究发现,SnO2与石墨烯复合材料的光电性能(130mA/cm2)是单纯SnO2颗粒的4倍,取得不错的成果。相关结果发表在Journal of Power Sources和Electrochimica Acta上,已被他引22次。

(5)在密度泛函B3LYP水平上计算了-CH3,-OH,-SH,-CCH,-F,-Cl,-Br,-Ph,-COOH,-CN和-NH2这11种常见的取代基对卟啉化合物性质的影响,设计出数个系列的卟啉敏化剂分子,并从中筛选出了数种有希望挑战当时卟啉敏化太阳电池能量转换效率世界纪录的分子设计方案。相关研究结果发表在J.Phys.Chem.A(2009,2010)上,并成为该刊物2010年第一季度点击率最高的10篇论文之一。已被他引134次。

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