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研究方向
研究方向
發布日期：2021-09-17
● 鋰離子電池與超級電容器材料與技術
鋰離子電池和超級電容器廣泛應用于便攜式電子設備、網絡基站、電動汽車等的動力電源，也被廣泛用做風能、太陽能等的能源儲備系統。鋰離子電池和超級電容器的質量、體積比能量和比功率及循環壽命、安全性等指標與構成電池和超級電容器的電極材料關系密切，因此開展相關電極材料相關基礎和應用技術研究對于發展高效鋰離子電池和超級電容器具有重要意義。該研究方向的主要研究內容包括如下：
(1) 高效低成本硅碳鋰離子負極材料制備與應用：
硅理論儲鋰容量4200 mAh/g，在充放電過程硅發生嚴重體積效應,導致電極粉化影響電池穩定性。多孔硅結構可緩解硅的體積變化，其孔道結構能為離子快速傳輸提供通道，進一步對多孔硅進行炭包覆可提高材料導電性，這些都有利于電池倍率性能。國際電動汽車領軍者特斯拉公司2017年在石墨負極加入10%硅粉，電池能量密度提升了20%，為硅碳負極提供了可期待的市場前景。 實驗室主要研究構建高孔隙率的納米硅碳復合材料方法與技術工藝，實現高容量，高循環穩定性，高功率密度的硅碳負極材料制備與應用。
(2) 多孔碳結構與表面化學調控及其高效超級電容器：
超級電容器的特點是功率高、循環壽命長，在電動汽車領域可在動力系統中補充電池功率不足的弱點，因而也成為電動汽車開發領域的重要技術內容之一。實驗室將利用在多孔碳納米材料方向的研發優勢，基于雙電層和法拉第反應的儲能機理，研究制備適宜電荷堆積和利于離子傳輸的具有高比表面積的有序多孔碳納米材料，設計高比容量和比功率的超級電容器。通過研究調控納米碳材料組織結構和表面化學特性，開發雙電層和法拉第混合型超級電容器。
(3) 鋰離子電池全固態電解質合成與性能研究：
鋰離子電池因其具有較高的理論容量和能量密度、環境友好、成本低等優點，是目前應用的主要高性能電池，特別是高比能量的鋰電池有望應用于電動汽車、航空航天和國防裝備等領域。但液態電解質的金屬鋰電池內部，充放電過程中金屬鋰表面會形成孔洞和枝晶，導致鋰電極粉化。同時鋰枝晶可能會刺穿多孔聚合物隔膜造成電池內短路，粉化后的鋰電極與液態電解質間的界面副反應會更為嚴重，導致界面電阻增加并帶來安全問題,該研究方向主要從事鋰離子電池電解質方面的研究，構建新型的有機聚合物復合的全固態電解質體系。重點解決鋰離子電池的安全性及鋰枝晶生長等關鍵問題，研究鋰離子快速傳導機制和界面形成過程，實現全固態鋰離子電池發展和應用。
● 高效ORR催化劑與質子膜燃料電池技術
質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換系統之一，也是下一代電驅動汽車的理想動力驅動系統。目前質子膜燃料電池因氧還原反應催化劑要使用貴金屬鉑，而其價格昂貴資源缺乏，且易發生催化劑中毒，因而導致燃料電池仍難以商業化應用。在該研究方向，實驗室主要開展高效低成本的ORR催化劑合成與應用研究。
(1) 無金屬碳基催化劑合成與其ORR催化機理：
以多孔碳的孔結構與表面化學官能團為研究對象，研究碳基催化劑孔結構對反應物傳輸，表面官能團對ORR催化，及其孔結構與表面化學對ORR的共同影響機理。基于ORR機理研究，研究開發單元素和多元素摻雜的多孔碳高效ORR催化劑。
(2) 基于多層次結構的多重ORR催化非貴金屬催化劑合成與應用：
研究合成由過渡金屬位、（N/P/S）原子摻雜位、金屬-氮鍵（Me-Nx）構筑的多層次結構的燃料電池陰極催化劑。通過研究多重ORR活性位催化及可能存在的協同催化效應，制備高效ORR催化劑，研究其在質子膜燃料電池中的應用特性。
● 清潔高含能量材料-多氮化合物合成與應用
含能材料是發射藥（火藥）、炸藥、推進劑等的主要成分，是實現推進、拋射、爆炸摧毀等目的的能量來源。多氮或聚合氮物質因氮氮單鍵或雙鍵向氮氮三鍵轉化釋放大量的能量，一直以來是追求的最佳的候選者。通常來說，多氮化合物通常是指分子結構中含有多個氮原子直接相連的化合物。由于其高氮低碳氫含量以及結構高張力使得此類物質普遍具有高的生成熱，且易于實現氧平衡。同時由于其分解產物為清潔的氮氣，也是未來作為高密度能量材料在火藥、推進劑等領域的重點發展對象。但是多氮化合物普遍存在制備方法和穩定性差等不足，本研究方向主要基于五唑（五元氮環）的結構，開展新型化合物的結構設計和探索實驗，重點研究結構和性能之間的協同作用機理研究。