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基于多学科交叉的多孔/核壳结构材料设计及在新能源领域中的应用

基于多学科交叉的多孔/核壳结构材料设计及在新能源领域中的应用
2022-01-03 16:40:25 来源:财讯网
邓齐波

河北工业大学机械工程学院 天津市北辰区 300401

团队介绍:我们研究团队“清洁能源器件先进制造与检测技术创新团队”所在单位河北工业大学成立于1903年,是一所以工为主、多学科协调发展的国家“211工程”重点建设高校,是河北省政府、天津市政府和教育部共建高校,2016年入选河北省“国家一流大学建设”一层次学校,2017年入选国家“世界一流学科”建设高校。材料科学、化学、工程学三个学科领域分别进入ESI全球排名前1%。建有包括省部共建国家重点实验室、国家级工程技术研究中心、国家地方联合工程实验室在内的55个国家和省部级科研平台,具有雄厚的科研实力。

2019年学校成立了以副校长胡宁教授(海外高层次人才引进计划、杰青(B 类))领衔的高端装备结构技术研究院,项目负责人和主要成员均为高端装备结构技术研究院的核心科研人员。项目团队在新能源材料的开发积累了大量的实验和理论方面的基础研究经验,具有高性能电池材料先进制备以及检测方面的技术能力。

项目介绍:针对金属催化剂活性的提升,国内外研究主要从材料制备角度来提高本征活性,目前各种结构的材料层出不穷,然而其制备工艺过于繁杂,合成手段对环境不友好,制备所使用的化学药品更是昂贵,严重限制着在实际中的利用。项目通过外载荷的方式引入应变,从而改变金属的能带带隙,同时不会额外引入杂质,进而有效提升金属材料电催化活性;并提出了考虑力学因素的材料制备策略,为高性能电催化剂以及电池电极材料的开发提供了一个新的设计思想和力学方案。本项目以多孔/核壳结构为研究特色,获得2021年“创客中国”天津市中小企业创新创业创客组大赛的三等奖,项目技术成果主要用于与电池相关的新能源汽车及国家能源结构升级等。本项目已经进行实验室阶段的性能测试,待技术更加成熟,后续计划完成成果转化投入生产。

(图左4为作者)

项目主要来源:包括国家自然科学基金项目(青年、面上)、中德国际合作交流项目、中央引导地方科技发展资金项目、国家重点研发计划“高比能固锂电池技术”子课题、天津市“海外高层次人才引进计划”青年项目、天津市新材料科技重大专项、河北工业大学“元光学者”科研经费等省部级基金,总经费超过600万。

项目主要创新点:

创新点1:基于力化学耦合作用,提供新能源材料电化学性能改善的力学方案。

(1)揭示了机械载荷对材料电化学性能的影响机理,构筑了电化学性能提升的力学体系。

(2)将磁场诱发的洛伦兹力引入到对材料制备以及电化学性能的调控,构筑了洛伦兹力作用下材料的构效关系,建立力学模型阐明了其机理。

(3)发展电化学环境下电极表面应力以及应变状态变化的原位表征方法,探索力学因素诱导新能源材料电化学性能演变/失效的新机制。

创新点2:基于表面力学的设计理念,开发高性能新型电化学储能器件和电催化电极材料,推进表面力学在新能源领域的应用。

(1)构建基于柔性基底的电催化层实现应力稳定的高耐久性催化电极的可控合成 。

(2)以多孔和核壳结构为特点,构筑应力释放的高性能新型电化学储能电极材料。

项目研究进展及优势:本项目所开发的具有多孔/核壳结构的负极材料,其能量密度、倍率以及循环寿命等电池性能明显优于目前商业所使用锂电池负极材料,在二次电池领域具有较强的竞争力,并且制备工艺简单,有很好的产业化前景。其中所开发的负极材料优点分别为:

1.阳极氧化多功能多孔氧化物的优点:开孔性好、比表面积大,氧化物形貌可调控,制备工艺简单,可快速降解有机染料,可作为锂离子电池的负极,降解染料后的材料仍可做锂电负极;

2.脱合金化多孔硅负极的优点:直接利用天然矿物,原材料成本低,制备工艺简单;

3.脱合金化多孔锗负极的优点:比硅电导率更高,比表面积高,应用前景好;

4.核壳结构过渡金属基化合物负极:MnO@C:原材料成本低,制备工艺简单,壳层厚度可控;Co9S8@C:结构和成分可调控,比表面积高,应用前景好。

项目重要性:本项目针对高性能储锂的多孔/核壳结构负极材料的结构设计,主要应用于新能源储能电池当中。能源问题一直是制约全球经济增长的关键因素,随着社会和经济的发展,传统化石能源如石油、煤炭、天然气等已经不能满足人们日益增长的能源需求,而且化石能源也带来了污染和能源安全等问题。因此,越来越多的国家开始调整能源结构,积极发展太阳能、风能、水电等清洁可再生能源。现阶段,我国能源结构正在逐步升级,可再生能源供给在整个能源供给中占比越来越多。然而,可再生资源存在分布不均、持续供应等问题,需要储能技术和设备,以实现清洁可再生能源的有效储存、便捷传输和持续供应。在电能使用过程中,新能源汽车成为用电大户,随着国家的不断推广与大力扶持,新能源汽车行业也为储能提供了大量的资金与机遇。其中电池储能在储能技术中起着核心和支柱作用,大规模储能技术是新能源推广和能源转型的基础,是国家能源战略需求布局的重要组成部分。国际管理机构预测,到2025年,储能对全球经济价值的贡献将达到数万亿美元。

电池在当前储能形式中起着至关重要的作用,电池的充放电次数受电极材料及其它多方面影响,电池的价格相对较高,机械循环效率低,很难实现较长的循环寿命。在电化学过程中,电池负极材料产生较大的电压,导致材料的力学性能遭到破坏,进而影响电化学性能,加速材料老化,使电池寿命降低。造成大量钱财损失及资源浪费,进一步造成环境污染,破坏生态环境。

本项目通过研究新能源领域的力化学耦合作用,充分考虑了电极材料制造过程中的力学因素,提出了电化学过程中应力释放的纳米材料制造的新策略,解决了在二次电池及燃料电池中在工作状态下长时间循环累积的应力引起的电极材料晶格畸变和结构坍塌等技术问题,打破了国外在这一领域的垄断,填补了国内新工艺、新产品研发领域的空白,推动电池技术产业化进程。

作者简介:邓齐波,男,教授,博士生导师,2014年获得德国汉堡-哈尔堡工业大学博士学位后,在汉堡工业大学从事新能源材料领域博士后研究工作。2015-2020年在天津理工大学新能源材料与低碳技术研究院从事新型电化学储能/电催化体系构筑与性能优化技术研究。2020 年6月以“元光学者特聘B岗”人才引进到河北工业大学工作至今。2016年入选天津市“131” 创新型人才培养工程;2017 年入选天津市“海外高层次人才引进计划”;2019年获得国际先进材料协会科学家奖章;2020 年入选国际先进材料协会会士;2021年获国际Vebleo Fellow Award。以多学科交叉融合为特色,开发多款新能源相关的性能原位评估平台,积极推进产学研协同创新,荣获2020年中国产学研合作促进奖,2021年中国发明协会发明创业创新奖二等奖。

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责任编辑:kj005

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