解讀“高效納米儲能材料與器件的基礎(chǔ)研究”

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1、解讀“高效納米儲能材料與器件的基礎(chǔ)研究”為繼續(xù)保持我國在納米科技國際競爭中的優(yōu)勢，并推動相關(guān)研究成果的轉(zhuǎn)化應(yīng)用，2016年國家科技部會同有關(guān)部門編制了納米科技重點(diǎn)專項(xiàng)實(shí)施方案，并指出該重點(diǎn)專項(xiàng)的總體目標(biāo)是獲得重大原始創(chuàng)新和重要應(yīng)用成果，提高自主創(chuàng)新能力及研究成果的國際影響力，力爭在若干優(yōu)勢領(lǐng)域率先取得重大突破。申報(bào)指南指明重點(diǎn)專項(xiàng)包括新型納米制備與加工技術(shù)、納米表征與標(biāo)準(zhǔn)、納米生物醫(yī)藥、納米信息材料與器件、能源納米材料與技術(shù)、環(huán)境納米材料與技術(shù)及納米科技重大問題7個方面的研究方向。通過形式審查、函評、視頻答辯等申報(bào)環(huán)節(jié)，最終有43個相關(guān)項(xiàng)目

2、獲得資助。能源納米材料與技術(shù)方向中的5.2納米能量存儲材料及器件明確要求在下一代鋰、鋁等儲能電池的納米電極材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和充放電過程中的電子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、界面反應(yīng)的演化規(guī)律方面開展研究工作，并指出相應(yīng)的考核指標(biāo)為新型納米電極材料的鋰電池儲能密度大于400iddot;h/kg，循環(huán)穩(wěn)定性大于500次。　　針對指南5.2要求，廈門大學(xué)作為項(xiàng)目牽頭單位，聯(lián)合武漢理工大學(xué)、華南理工大學(xué)和中山大學(xué)，組織申報(bào)了以高效納米儲能材料與器件的基礎(chǔ)研究為題目的項(xiàng)目，并最終獲得了支持，項(xiàng)目批準(zhǔn)號為2016YFA0202600。下文介紹該項(xiàng)目的主要研究思路。　　

3、1項(xiàng)目目的和意義　　當(dāng)前，煤、石油等化石燃料不斷消耗導(dǎo)致的能源危機(jī)和環(huán)境污染成為了人類可持續(xù)發(fā)展面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。開發(fā)可再生能源以及發(fā)展高效、廉價(jià)和環(huán)境友好的綠色儲能系統(tǒng)迫在眉睫。近年來，隨著科技的進(jìn)步和需求的增長，鋰離子電池從電子終端設(shè)備進(jìn)一步擴(kuò)展到電動汽車、智能電X、航空航天、軍事儲能等新能源高能耗領(lǐng)域，成為了今后的重點(diǎn)發(fā)展方向之一。然而，現(xiàn)有體系已難以滿足高能量、高功率、長壽命和低成本的要求。因此，研發(fā)高能量密度、長循環(huán)壽命以及安全性能良好的新一代高性能鋰離子電池對推進(jìn)新能源產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展具有重要的科學(xué)意義和現(xiàn)實(shí)的緊迫性?！　「咝阅茕囯x

4、子電池的開發(fā)和應(yīng)用是一項(xiàng)極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程，國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃納米科技重點(diǎn)專項(xiàng)高效納米儲能材料與器件的基礎(chǔ)研究項(xiàng)目正是聚焦在該領(lǐng)域中亟待系統(tǒng)和深入研究的關(guān)鍵科學(xué)問題，將在理論計(jì)算、材料制備、原位表征及器件組裝等方向進(jìn)行協(xié)同創(chuàng)新。通過完成本項(xiàng)目，研制出高性能鋰離子電池納米電極材料和新型固體電解質(zhì)體系，深刻揭示納米材料儲能機(jī)制和容量衰減的本征因素，獲得具有自主知識產(chǎn)權(quán)和國際核心競爭力的高比能新型高效納米儲能材料與器件的相關(guān)技術(shù)資料，推動納米科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展，顯著提升我國在電化學(xué)儲能領(lǐng)域的研發(fā)水平和技術(shù)創(chuàng)新能力?！　?項(xiàng)目總體目標(biāo)　　結(jié)合理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)

5、結(jié)果驗(yàn)證，力爭在下一代鋰、鋁等儲能電池的關(guān)鍵材料及器件設(shè)計(jì)方面取得突破;發(fā)展電極微納結(jié)構(gòu)與表界面的原位表征技術(shù);獲得穩(wěn)定且緊密結(jié)合的納米電極材料-電解質(zhì)界面關(guān)鍵核心技術(shù);明確提升電池能量密度的優(yōu)化策略及其實(shí)現(xiàn)途徑;在電池能量密度、安全性、使用壽命以及生產(chǎn)成本等方面獲得一系列原創(chuàng)性成果，解決其中一些重大基礎(chǔ)和應(yīng)用問題;最終實(shí)現(xiàn)鋰離子樣品電池能量密度大于400iddot;h/kg，循環(huán)穩(wěn)定性大于500次的目標(biāo)?！　?項(xiàng)目擬解決的關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)問題　　圍繞項(xiàng)目的總體目標(biāo)，本項(xiàng)目凝煉出三個關(guān)鍵的科學(xué)問題：①探尋高性能鋰、鋁等電池納米電極材料和新型固

6、體電解質(zhì)體系，提出微納復(fù)合結(jié)構(gòu)電極材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)理論，實(shí)現(xiàn)納米電極材料的可控制備，開發(fā)電極/電解質(zhì)一體化界面構(gòu)筑技術(shù);②發(fā)展電極微納結(jié)構(gòu)與表界面的原位表征方法，探索電極添加劑對材料性能的影響以及材料晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和界面反應(yīng)的原位演化規(guī)律，揭示材料儲能機(jī)制和容量衰減的本征因素;③開發(fā)高性能、低成本納米儲能材料的大面積可控制備技術(shù)，實(shí)現(xiàn)新型高效儲能器件的設(shè)計(jì)與研制?！　?項(xiàng)目主要研究內(nèi)容和主要技術(shù)指標(biāo)　　針對以上關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)問題，本項(xiàng)目擬開展以下幾個方面的研究?！　?1)高性能電池關(guān)鍵材料的理論預(yù)測與設(shè)計(jì)通過第一性原理的電子結(jié)構(gòu)計(jì)算以及分

7、子動力學(xué)模擬方法，結(jié)合先進(jìn)的結(jié)構(gòu)預(yù)測方法，實(shí)現(xiàn)對電池關(guān)鍵材料電子性質(zhì)的計(jì)算和晶體結(jié)構(gòu)的預(yù)測，為研制新型高能量密度的鋰、鋁等電池提供理論指導(dǎo)?！　?2)納米電極材料及電解質(zhì)的研制與結(jié)構(gòu)調(diào)控在前期理論計(jì)算與預(yù)測的基礎(chǔ)上，探索高性能鋰、鋁等電池納米電極材料新體系，提出微納復(fù)合結(jié)構(gòu)電極材料的性能優(yōu)化策略;研制高離子導(dǎo)電率的電解質(zhì)材料，并開發(fā)穩(wěn)定且緊密結(jié)合的納米電極材料-電解質(zhì)界面新技術(shù)。　　(3)電極微納結(jié)構(gòu)與表界面的原位表征及演化規(guī)律發(fā)展電極微納結(jié)構(gòu)與表界面的原位表征方法，探索鋰、鋁等電池的納米電極材料在電化學(xué)反應(yīng)過程中的電輸運(yùn)、電子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)

8、構(gòu)、表觀形貌和界面反應(yīng)的演化規(guī)律，從而揭示電極材料的儲能機(jī)制、容量衰減因素、SEI膜和負(fù)極金屬枝晶的形成過程及添加劑對電極材料電化學(xué)性能的本征影響，為進(jìn)一步優(yōu)化納米電極材料的電化