納米結(jié)構(gòu)材料在先進(jìn)能源器件應(yīng)用中的表界面問題研究-資料下載頁
2025-03-25 07:05本頁面
【正文】 的研究成果應(yīng)用在量子點(diǎn)光伏電池的制備與研究方面，是對于納米表界面表征和深入研究成果的直接應(yīng)用，中科院物理所和蘇州大學(xué)在這方面已有國際先進(jìn)水平的研究工作，是承擔(dān)此任務(wù)的最佳單位；課題4將課題1，2 的研究成果應(yīng)用于高性能鋰離子電池，中科院化學(xué)所和物理所在這方面具有深厚的研究基礎(chǔ)和優(yōu)越的研究條件，聯(lián)合承擔(dān)此課題可以保證其順利完成。課題間相互關(guān)系圖６. 項目總體目標(biāo)和五年目標(biāo)的關(guān)系 本項目的總體目標(biāo)是通過對納米結(jié)構(gòu)材料在先進(jìn)能源器件應(yīng)用過程中的表界面關(guān)鍵科學(xué)問題開展研究，獲得一批具有國際競爭力和重大應(yīng)用價值的研究成果，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、新方法、新技術(shù)和新材料，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵材料與器件，使我國在量子點(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)入國際先進(jìn)行列，爭取做出若干原創(chuàng)性的工作，在國際能源器件研究領(lǐng)域占有一席之地。本項目的五年目標(biāo)集中于量子點(diǎn)光伏器件和高能量密度二次鋰電池材料體系及器件，在原理創(chuàng)新，研究方法創(chuàng)新，新材料開發(fā)和人才培養(yǎng)等方面有所突破。將量子點(diǎn)光伏器件的光電轉(zhuǎn)化效率從目前的5 % 提升至10 % 以上，將二次鋰電池的能量密度從目前的150200瓦時/公斤提升至300瓦時/公斤以上。本項目的五年目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)項目總體目標(biāo)的基礎(chǔ)。全面完成五年目標(biāo)是本項目運(yùn)行期間的基本要求，將為項目總體目標(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)。 四、年度計劃研究內(nèi)容預(yù)期目標(biāo)第一年設(shè)計合成幾類典型能量轉(zhuǎn)換和儲能納米材料并對其進(jìn)行詳細(xì)表征，包括具有納米顆粒、納米棒、納米線、納米管等陣列結(jié)構(gòu)的TiOZnO和SnO2等半導(dǎo)體材料，碳納米管、石墨烯、富勒烯、石墨炔等可作為鋰電池負(fù)極材料的全碳納米材料。研究上述納米結(jié)構(gòu)材料的載流子傳輸速率、電荷轉(zhuǎn)移效率等光電特性。采用量子力學(xué)第一性原理計算方法研究功能納米結(jié)構(gòu)材料的結(jié)構(gòu)、電子和光學(xué)特性，探討其尺寸效應(yīng)和量子效應(yīng)對其性能的影響，研究模擬其生長動力學(xué)。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。設(shè)計制備24種以上結(jié)構(gòu)新穎、性能良好的半導(dǎo)體納米材料；探索可作為鋰電池電極材料的全碳納米材料宏量制備技術(shù)；針對23種典型的能量轉(zhuǎn)換和儲能納米材料，構(gòu)建尺寸效應(yīng)和量子效應(yīng)及界面效應(yīng)等影響納米結(jié)構(gòu)材料的理論模型。發(fā)表論文40篇申請專利10項第二年在上一年工作基礎(chǔ)上提出納米材料結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的改進(jìn)方案，結(jié)合非平衡格林函數(shù)理論技術(shù)進(jìn)一步調(diào)控納米結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)和性能，設(shè)計新型的復(fù)合納米結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料、全碳納米材料及量子點(diǎn)材料基元；結(jié)合SHINERS、SPM技術(shù)研究已制備納米材料中界面電子收集及復(fù)合情況及在充放電過程中的結(jié)構(gòu)變化過程；運(yùn)用SECM光纖復(fù)合電極，研究燃料敏化太陽能納米電池體系；研究量子點(diǎn)多激子效應(yīng)的產(chǎn)生條件和規(guī)律并組裝量子點(diǎn)光伏器件；研究納米結(jié)構(gòu)鋰電池電極材料中的離子、電子輸運(yùn)特性及其與微觀結(jié)構(gòu)、成分分布的關(guān)系。制備34種具有優(yōu)越光電特性的半導(dǎo)體量子點(diǎn)和異質(zhì)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)富勒烯年產(chǎn)100克量級生產(chǎn)；建立拉曼光譜研究染料敏化太陽能電池原位表征方法，揭示影響納米儲能器件負(fù)極材料表界面穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素；建立材料宏觀、微觀結(jié)構(gòu)與性質(zhì)之間的作用機(jī)制理論模型，對納米結(jié)構(gòu)鋰電池電極材料中的納米效應(yīng)、輸運(yùn)行為、界面特性等問題有清晰的理解和認(rèn)識。發(fā)表論文40篇申請專利10項第三年深入開展納米結(jié)構(gòu)材料的大面積可控制備，結(jié)合第一性原理計算和統(tǒng)計物理方法，研究納米材料的尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)等對其光電和儲能特性的影響；利用阻抗譜、瞬態(tài)光譜等穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)手段，結(jié)合含時密度泛函理論（TDDFT）對量子點(diǎn)電池界面上的動力學(xué)過程；設(shè)計和研制高容量且動力學(xué)穩(wěn)定的納米結(jié)構(gòu)鋰離子電極材料，開展硫復(fù)合正極材料在不同電解質(zhì)體系中的電化學(xué)反應(yīng)過程和表/界面特性研究。運(yùn)用SHINERS 研究研究修飾后的金屬鋰負(fù)極的電化學(xué)反應(yīng)過程和表/界面特性； 搭建SECMTERS聯(lián)用裝置，研究染料分子的等離激元增強(qiáng)光吸收效率及半導(dǎo)體染料分子界面的相互作用，結(jié)合原位SPM研究，考察研究S，LiPO4等典型正極材料在充放電過程中的結(jié)構(gòu)變化過程。實(shí)現(xiàn)均勻度達(dá)到70%的大面積陣列納米結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體材料及小尺度復(fù)合材材料制備；小面積量子點(diǎn)光伏器件光電轉(zhuǎn)換效率至67%；制備2－4種動力學(xué)穩(wěn)定的納米結(jié)構(gòu)鋰離子電池電極材料，構(gòu)筑出12種鋰二次電池；建立拉曼光譜原位表征和微電極針尖增強(qiáng)拉曼譜（SECMTERS）表征方法，并用于研究表界面性能改善的金屬鋰電極材料處理方法。發(fā)表論文40篇申請專利10項第四年開展納米材料的組成、摻雜、填充、合成條件、表面修飾等因素對于量子點(diǎn)光伏器件及高容量鋰離子電池正、負(fù)極材料性能的影響并依此進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，設(shè)計并開展能夠?qū)崿F(xiàn)快速鋰離子、電子傳輸?shù)娜S導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)電極材料制備；以離子液體作為電解質(zhì)，結(jié)合原位SPM 和Raman研究，研究能量轉(zhuǎn)換和儲能體系的基本科學(xué)問題，建立探針輔助的電化學(xué)阻抗測量技術(shù)原位研究能量儲存和轉(zhuǎn)換中的傳質(zhì)、傳荷過程。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)換和儲能過程中的作用和規(guī)律，建立已制備量子點(diǎn)電池材料間的能級匹配理論關(guān)系。發(fā)表論文40篇申請專利10項第五年篩選并制備高效率量子點(diǎn)光伏電池和高能量密度金屬鋰二次電池；進(jìn)行電池器件組裝和光電轉(zhuǎn)換性能評價研究，總結(jié)機(jī)理，完善構(gòu)效關(guān)系模型；完善各種原位表征方法，考察太陽能電極界面空穴電子復(fù)合行為、電極電解液界面（SEI）層行為；開發(fā)宏量級金屬富勒烯、晶態(tài)石墨炔、石墨烯等高效納米能源材料。全面完成項目五年目標(biāo)。小面積量子點(diǎn)光伏器件光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到10%，高能量密度鋰離子電池正極材料容量達(dá)到200 mAh/g以上；負(fù)極材料容量達(dá)到800 mAh/g以上；循環(huán)次數(shù)達(dá)到200次以上，相應(yīng)電池的能量密度達(dá)到200 Wh/kg以上。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)較大尺寸晶態(tài)石墨炔材料以及公斤級石墨烯材料的制備。發(fā)表論文40篇申請專利1
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