【正文】 電池長(zhǎng)期循環(huán)過(guò)程中，電極材料的結(jié)構(gòu)演變對(duì)器件動(dòng)力學(xué)和穩(wěn)定性的影響。主要在以下幾個(gè)方面取得重要進(jìn)展，做出在國(guó)際上有重要影響的工作：揭示表界面納米結(jié)構(gòu)與能量轉(zhuǎn)化和存儲(chǔ)的構(gòu)效關(guān)系與調(diào)控原理；實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)器件中納米結(jié)構(gòu)材料的可控制備；建立光電轉(zhuǎn)換儲(chǔ)能器件制備和使用過(guò)程中的原位、實(shí)時(shí)表征原理及方法；揭示影響儲(chǔ)能納米結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素；實(shí)現(xiàn)光伏器件中表界面能級(jí)的匹配及界面電荷分離性能的優(yōu)化。借助SPM技術(shù)和表面增強(qiáng)拉曼光譜等技術(shù)，從分子/納米尺度上研究載流子的存儲(chǔ)和輸運(yùn)行為及電極/電解質(zhì)界面特性。通過(guò)組分及尺寸的調(diào)控獲得吸光系數(shù)大、光譜吸收范圍寬、能級(jí)匹配好、結(jié)構(gòu)和性能穩(wěn)定的納米半導(dǎo)體量子點(diǎn)材料。研究氧化還原電子空穴對(duì)在電解質(zhì)中的擴(kuò)散和輸運(yùn)等電化學(xué)特性，以及電解質(zhì)與電極之間的相互作用，尋找提高電池性能和解決電池穩(wěn)定性的有效途徑。通過(guò)NMR、EPR、XAS、Mossbaur等光譜技術(shù)獲得材料的精細(xì)結(jié)構(gòu)信息。 研究結(jié)果表明，能源材料的表界面結(jié)構(gòu)和性能是影響能源器件性能的決定性因素。綜上所述，本項(xiàng)目研究方案的提出是基于項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)多年來(lái)在相關(guān)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究積累。能源納米結(jié)構(gòu)材料的設(shè)計(jì)和可控制備為具有理想結(jié)構(gòu)、優(yōu)異光電特性或儲(chǔ)能特性、熱力學(xué)穩(wěn)定和動(dòng)力學(xué)活性高的表界面服務(wù)，而表界面的深入研究又為先進(jìn)能源器件的構(gòu)筑奠定基礎(chǔ)。研究納米材料的組成、摻雜、合成條件、表面修飾等因素對(duì)于其儲(chǔ)鋰機(jī)制及構(gòu)效關(guān)系的影響；針對(duì)先進(jìn)鋰電池負(fù)極材料，重點(diǎn)研究高容量硅、錫基合金負(fù)極，金屬鋰負(fù)極和富勒烯、石墨烯、石墨炔等全碳納米材料。重點(diǎn)研究規(guī)則結(jié)構(gòu)納晶多孔電極如光子晶體和有序納米管二維陣列，硫族半導(dǎo)體量子點(diǎn)（PbS，CdSe，CuInS，CuInSe）的制備及其能帶和表界面性能的調(diào)控；研究表界面穩(wěn)定的固態(tài)電解質(zhì)，基于離子液體的準(zhǔn)固態(tài)電解質(zhì)，以及配套的高性能對(duì)電極；在多層次（分子、納米、微米）水平上研究離子、電子和空穴在材料表界面附近的產(chǎn)生、輸運(yùn)和反應(yīng)特性，考察材料表界面的復(fù)雜反應(yīng)，探討影響器件光電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵因素。 預(yù)期目標(biāo)： 揭示影響高能量密度鋰電池納米結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素；開(kāi)發(fā)出高容量微納結(jié)構(gòu)正、負(fù)極材料（正極材料可逆容量達(dá)到220 mAh/g以上；負(fù)極材料可逆容量達(dá)到800 mAh/g以上；循環(huán)次數(shù)達(dá)到200次以上；相應(yīng)電池的能量密度為250 Wh/kg以上）；實(shí)現(xiàn)金屬鋰負(fù)極和納米結(jié)構(gòu)硫復(fù)合正極材料的表界面穩(wěn)定并應(yīng)用于下一代高能量密度金屬鋰硫電池（正極容量達(dá)到800 mAh/g以上； 負(fù)極金屬鋰具有保護(hù)機(jī)制；循環(huán)次數(shù)達(dá)到50次以上；電池的能量密度為300 Wh/kg以上） 承擔(dān)單位： 中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所、中國(guó)科學(xué)院物理研究所 課題負(fù)責(zé)人： 萬(wàn)立駿 學(xué)術(shù)骨干： 宋衛(wèi)國(guó)、蔣 禮、李冬梅、馮國(guó)星經(jīng)費(fèi)比例： 30% ５. 課題間相互關(guān)系 課題間相互關(guān)系如下圖所示。全面完成五年目標(biāo)是本項(xiàng)目運(yùn)行期間的基本要求，將為項(xiàng)目總體目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供更為明確的研究方向和更為雄厚的研究基礎(chǔ)。發(fā)表論文40篇申請(qǐng)專利10項(xiàng)第三年深入開(kāi)展納米結(jié)構(gòu)材料的大面積可控制備，結(jié)合第一性原理計(jì)算和統(tǒng)計(jì)物理方法，研究納米材料的尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)等對(duì)其光電和儲(chǔ)能特性的影響；利用阻抗譜、瞬態(tài)光譜等穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)手段，結(jié)合含時(shí)密度泛函理論（TDDFT）對(duì)量子點(diǎn)電池界面上的動(dòng)力學(xué)過(guò)程；設(shè)計(jì)和研制高容量且動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定的納米結(jié)構(gòu)鋰離子電極材料，開(kāi)展硫復(fù)合正極材料在不同電解質(zhì)體系中的電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程和表/界面特性研究。高能量密度鋰電池正極容量達(dá)到800 mAh/g以上；負(fù)極金屬鋰具有保護(hù)機(jī)制；循環(huán)次數(shù)達(dá)到50次以上；電池的能量密度達(dá)到300Wh/kg以上。實(shí)現(xiàn)均勻度達(dá)到80%的大面積陣列納米結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料及更小尺度復(fù)合材材料制備；構(gòu)筑12類高效率小面積量子點(diǎn)光伏器件和24種性能優(yōu)良的納米結(jié)構(gòu)鋰電池電極材料，實(shí)現(xiàn)高能量密度鋰離子電池和金屬鋰二次電池組裝，掌握24種高性能納米結(jié)構(gòu)鋰電池電極材料的制備技術(shù)揭示離子液體在能量轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)能過(guò)程中的作用和規(guī)律，建立已制備量子點(diǎn)電池材料間的能級(jí)匹配理論關(guān)系。著手構(gòu)建鋰離子電池有機(jī)電解質(zhì)中的SPM 系統(tǒng)，進(jìn)行電極/電解質(zhì)界面原位表征。課題間相互關(guān)系圖６. 項(xiàng)目總體目標(biāo)和五年目標(biāo)的關(guān)系 本項(xiàng)目的總體目標(biāo)是通過(guò)對(duì)納米結(jié)構(gòu)材料在先進(jìn)能源器件應(yīng)用過(guò)程中的表界面關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題開(kāi)展研究，獲得一批具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力和重大應(yīng)用價(jià)值的研究成果，為清潔能源材料和技術(shù)領(lǐng)域的可持續(xù)發(fā)展及其成果轉(zhuǎn)化提供新知識(shí)、新方法、新技術(shù)和新材料，形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵材料與器件，使我國(guó)在量子點(diǎn)光伏器件和高能量密度二次鋰電池材料體系及器件研究和應(yīng)用總體水平進(jìn)入國(guó)際先進(jìn)行列，爭(zhēng)取做出若干原創(chuàng)性的工作，在國(guó)際能源器件研究領(lǐng)域占有一席之地。將各種材料組裝研制小面積量子點(diǎn)光伏器件，并通過(guò)對(duì)光伏器件表界面的調(diào)控使小面積量子點(diǎn)光伏器件光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到10%以上。承擔(dān)單位： 中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所、中國(guó)科學(xué)院研究生院課題負(fù)責(zé)人： 王春儒學(xué)術(shù)骨干： 蘇剛、鄭慶榮、李玉良、李勇軍經(jīng)費(fèi)比例： 30% ２）課題２：能量轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)過(guò)程中表界面結(jié)構(gòu)的原位表征主要研究?jī)?nèi)容： 圍繞納米結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用于能源轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存過(guò)程中的表、界面問(wèn)題，建立和發(fā)展掃描探針（AFM、STM）原位表征方法，在納米尺度上研究有關(guān)納米結(jié)構(gòu)體系的表、界面形貌和結(jié)構(gòu)，結(jié)合探針輔助的電化學(xué)阻抗測(cè)量技術(shù)原位研究能量?jī)?chǔ)存和轉(zhuǎn)換中的傳質(zhì)、傳荷和催化過(guò)程；建立和發(fā)展新型SECM光纖電極原位構(gòu)建染料敏化太陽(yáng)能納米電池體系，研究半導(dǎo)體電極與氧化還原電子空穴對(duì)的電荷復(fù)合及其影響因素；發(fā)展基于等離子增強(qiáng)電化學(xué)原位拉曼光譜方法，建立基于核殼納米粒子增強(qiáng)拉曼光譜（SHINERS）和微電極－針尖增強(qiáng)拉曼譜（SECMTERS）技術(shù)，原位研究染料分子等離子激元增強(qiáng)光吸收效率及半導(dǎo)體－染料分子界面的相互作用；研究離子液體作為能量轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)能器件中的電解質(zhì)及其與納米結(jié)構(gòu)材料構(gòu)成的界面的基本科學(xué)問(wèn)題；設(shè)計(jì)和構(gòu)筑能量存儲(chǔ)器件相關(guān)的納米結(jié)構(gòu)及其表面修飾，深入研究納米結(jié)構(gòu)、界面，及其光電特性的關(guān)系。通過(guò)對(duì)量子點(diǎn)電池各種材料之間的能級(jí)匹配關(guān)系和性能模擬，確定影響其光電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵因素。3. 創(chuàng)新點(diǎn) 本項(xiàng)目以能源器件中納米結(jié)構(gòu)材料表界面這一共性科學(xué)問(wèn)題為切入點(diǎn)，以高光電轉(zhuǎn)化效率量子點(diǎn)光伏器件和高能量密度鋰電池為目標(biāo)，以先進(jìn)的納米材料制備、表征和測(cè)試技術(shù)為支撐，結(jié)合理論計(jì)算，在分子、納米、微米等多層次上開(kāi)展系統(tǒng)研究，從根本上打破制約能源器件性能提升的瓶頸。 本項(xiàng)目作為高度學(xué)科交叉的研究項(xiàng)目，集中了國(guó)內(nèi)能源器件研究相關(guān)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)實(shí)驗(yàn)室和研究團(tuán)隊(duì)，通過(guò)交叉協(xié)作的研究方案，形成