(1) 化学电源材料理论与设计

1)基于第一性原理,使用VASP程序包和Materials Studio等材料科学计算软件进行从头算法计算,对电极材料的理化性质等进行系统计算,建立界面结构的理论模型与锂离子传输过程中的电极界面演变机制,筛选和设计高性能的新型化学电源材料。

2)建立电极材料的晶体结构模型,计算影响电化学性能的系列性质参数,预测材料的电子、离子传输性质以及结构稳定性,结合理论计算与原位表征,阐明充放电过程中材料的电荷传输动力学及晶体演变特征,为改善化学电源材料的性能提供理论支撑。

(2)动力型化学电源及关键材料

针对续航里程与功率密度指标等要求,本方向重点开发高能高功率的电极材料,研究极片设计及电池成组技术及在实际运行中的工程化问题,同时积极开发下一代高能电池体系。

1)锂离子动力电池及关键材料

基于主流三元正极材料,通过纳米化制备技术、二次颗粒造粒技术、表面修饰技术、表面酸度控制技术等手段进一步提高材料性能;逐步改善材料在高截止电位下的循环寿命,提高能量密度;开发高镍三元材料(622和811),研究高镍材料的容量衰减机制,提出解决策略;联合开发镍钴铝三元材料,力争实现其规模化生产。负极方面,开发高容量Si/C复合材料,提升其循环寿命;基于多步高能球磨或高速剪切剥离等物理方法,以石墨为原料开发规模制备石墨烯的新型技术,并应用于动力电池正负极材料的设计。

2)金属空气燃料电池

金属空气燃料电池涉及铝空、锌空和镁空电池,本实验室以铝空燃料电池为主。研究内容包括:a)高性能铝合金电极的制备技术:通过掺杂其它元素和合金化改变电极表面钝化层性质,实现“活化”和“缓蚀”的目的;b)高效低成本氧还原催化剂及先进的空气电极制备技术:开发过渡金属和氮共掺杂的高效碳基催化剂替代铂碳催化剂,研究协同催化机制;基于人体血红蛋白对氧气的高效催化与分离,设计Fe-Cu双金属-氮共掺杂碳催化剂;c)电解液缓蚀技术研究:抑制铝阳极腐蚀,提高电池效率;d)电池成组技术:包括电解液循环、空气流通保障和电池组热管理等,解决系统的工程化瓶颈问题;e)电池再生循环技术:金属阳极放电后机械更换新阳极,放电产物和电解液集中再生处理研究。

3)锂硫锂氧等下一代动力电池

重点开展高性能锂硫和锂氧电池器件结构及其关键材料(电极、隔膜、电解液)的设计、开发与匹配研究。基于物理吸附与化学作用吸附抑制多硫离子穿梭效应,设计合成多功能硫正极或隔膜材料,发展低成本、宏量制备技术,并考察材料与电解液之间互相匹配关系,构建高硫负载量、高比能量的锂硫电池器件。开发锂氧电池高效氧电极催化剂,研究电池充放电机制及容量失效机制,设计稳定的电解液体系;开发匹配性的固态电解质,构筑高性能的固态锂金属电池。

(3)规模储能型化学电源及关键材料

1)全钒液流电池关键材料及电堆集成

重点研究高性能全钒液流电池关键材料-电解液、隔膜、电极的制备技术以及高功率密度全钒液流电池电堆的集成技术。深入研究影响全钒液流电池电解液、电极、隔膜性能的因素,从机理出发设计提高电解液、电极、隔膜系能的技术路线,达到对全钒液流电池用高性能电解液、电极、隔膜的可控、规模化制备。同时,通过电堆结构优化设计及系统一体化集成过程耦合规律的研究实现高功率密度全钒液流电池电堆的研制。

2)水系锂离子电池关键材料及器件成组

重点研究高能量密度、高安全性、长循环寿命的单体水系锂离子电池,并最终实现电池器件的模块成组。研究体系容量衰减机制,提高库伦效率;开发先进的表面修饰技术提高现有锰酸锂或三元材料的性能;通过掺杂和碳基改性获得高倍率磷酸钛锂/钠负极材料,开发新型高容量高稳定性的其它负极体系;探索提升水系电池循环寿命与能量密度的途径;优化全电池设计及电解液匹配;

研究电池组成组技术。

3)钠离子储能电池及器件

设计开发具有优良储钠能力的正负极材料,正极以普鲁士蓝系列为主,通过创新制备方法、元素掺杂与碳基材料包覆改性提高储钠容量和循环性能,负极以二氧化钛与硬碳材料为主,通过形貌调控及缺陷控制策略提高材料性能,深入研究相关材料的储钠机制;研究电解液体系与粘结剂对性能的影响规律;设计全电池,研究器件成组技术。

(4)电池循环经济技术研究

该方向的目标是解决电池资源的高效利用和废旧电池的资源化过程所存在的系列基础与应用问题。a)建立可靠的电池一致性评价方法,提高动力电池组的利用率;b)研究大型动力电池组梯次利用涉及的关键技术问题,开发以矿物资源和废旧电池为原料制备电极材料的“资源与材料一体化”新技术,实现废旧电池中有色金属资源“从电池中来到电池中去”的绿色循环利用技术。




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