《面向大规模储能用低成本、长寿命和高安全新型钠离子电池体系的应用基础研究》

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大规模储能是建立新能源社会的关键技术,电化学储能则是其中前沿研究方向。在已知的电化学储能技术中,钠离子电池由于具有资源和成本优势,已成为新一代储能体系的理想选择。项目的研究内容涉及到低成本、长寿命和高安全钠离子电池材料的设计、反应机理的创新、以及应用基础问题的的研究,属于化学、材料和能源等多学科交叉领域。

该项目主要研究内容是在对新型储钠反应机制(合金化、非晶化)的系统研究基础上,提出了储钠反应对材料结构的空间适配性规律:首次提出了通过体相元素调控层状氧化物正极材料的结构稳定性,并设计合成了系列大隧道骨架结构,以及“活性-惰性”交互结构的高效嵌钠正极材料,从而实现钠离子在脱嵌过程中“低体积应变”效应,显著提升了材料电化学循环的稳定性,为长寿命钠离子电池提供理想的材料体系;利用“限域纳米”结构设计合成了系列高稳定储钠合金负极材料体系,提升了负极材料的容量,为高比能量钠离子电池的开发奠定了基础;利用非晶结构实现无序储钠的新机制,避免了传统晶体材料有序结构的限制,可为发展潜在高容量和高稳定性的储钠材料体系提供新途径。该项目的主要研究特点是基于储钠电化学反应的基础科学问题展开多层次、多角度和多方位的研究工作。针对钠离子半径较大,在固体晶格中的嵌脱位点少、扩散动力学慢,易导致主体材料晶格结构破坏和不可逆相变化等问题,项目组从离子嵌入的结构效应出发,结合非晶无序嵌入,提出了储钠电极材料的结构设计思想,发展了系列高容量、高结构稳定性的储钠电极材料,取得了一批具有影响力的特色研究成果。这些研究大大促进了高性能储钠正负极材料的应用开发,为真正实现储能钠离子电池的规模应用提供了理论基础和有效途径。

该项目推荐书中所列8篇代表论文发表在Energy Environ.Sci.、Adv.Mater.、Angew.Chem.Int.Ed.等杂志上,被SCI他引1902余次,单篇最高SCI他引448次,其中列入ESI高引论文5篇和热点论文2篇。

该项目成果被Nat.Rev.Mater.、Nat.Energy、Nat.Nanotech.、Chem.Rev.、Chem.Soc.Rev.、EnergyEnviron.Sci.、Mater.Today、Adv.Mater.等国际著名期刊广泛引用,充分突显出该项工作的创新性和新颖性。第一完成人曾获得2013年度国家技术发明二等奖和2015年湖北省自然科学三等奖,2012年度教育部“新世纪优秀人才支持计划”,2014年获湖北省“杰出青年基金”资助。

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