《可充電鋅離子電池關鍵材料製備和基礎理論研究》是依託清華大學，由徐成俊擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：可充電鋅離子電池關鍵材料製備和基礎理論研究
- 依託單位：清華大學
- 項目負責人：徐成俊
- 項目類別：青年科學基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
可充電鋅離子電池是世界上第一種以中性電解液（the mild electrolyte）為基礎的安全和環保的可充電電池，我們在前期研究中發明了這種具有高能量密度和高功率密度的電池，其有望成為新型儲能器件廣泛套用於各種領域，但涉及這種電池的基礎理論到現在還是一片空白，其電池化學、儲能理論和相關機理需要探索和研究。本項目首先製備不同隧道結構（一維、二維和三維）的二氧化錳正極材料，利用物理化學表征手段研究隧道結構在中性電解液中與Zn2+離子的匹配問題，同時研究不同鋅負極材料在中性電解液中的電化學行為，以揭示正負極材料的儲能機理和影響因素；最後研究電池不同放電深度的正、負極電極的結構、形貌和價態的變化，建立可充電鋅離子電池的電池化學和儲能理論。本項目的研究不僅能實現關鍵電極材料的隧道結構或形貌的可控制備，而且能建立可充電鋅離子電池的儲能理論。
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結題摘要
本項目發明了以儲存鋅離子的可充電鋅離子電池，利用不同製備方法控制正極材料二氧化錳隧道結構，控制二氧化錳隧道分別為一維β-MnO2(1×1)、α-MnO2(2×2)和γ-MnO2(1×2)，二維δ-MnO2(1×∞)和三維λ-MnO2(1×1)，研究了不同隧道結構存儲鋅離子的行為，發現α-MnO2(2×2)的一維大隧道結構最有利於鋅離子的嵌入和脫出反應，表現出最高容量和動力學，容量高達300 mAh/g，而小隧道如β-MnO2(1×1)不利於鋅離子的存儲和脫出反應，表現出最低的容量和動力學；同時本項目利用電沉積方法在鋅片表面沉積鋅鎳合金，通過沉積鋅鎳合金可提高負極鋅的耐腐蝕電位和循環壽命，降低鋅支晶的形成，提高了鋅離子電池的循環；通過同時最佳化正負極材料，最終可充電鋅離子電池容量為300 mAh/g(以活性物質計算)以上，循環超過500次，可在30秒內快速充放電， 能量密度達到250 Wh/Kg(以活性物質計算)，功率密度最高達到10 KW/Kg(以活性物質計算)。本項目的研究表明，可充電鋅離子電池作為新型電源可憑藉其廉價、環保、高容量和能量密度套用於各個領域。本項目經過多年的研發，提出多價態離子存儲理論，發明了以儲存鋅離子的可充電鋅離子電池，這種鋅離子電池的第一個中國專利（ZL 2009 1 0106650）和美國專利（US 8,663,844 B2）已經得到批准，並且有超過10個核心專利正在申請中國、美國和日本專利，同時發表超過10篇研究論文，如在國際期刊如Angew. Chem. Int. Ed.，Sci. Rep., Chem. Commun.，J. Power Sources,期刊等發表，經過本項目三年的研究，本項目獲得了關鍵基礎智慧財產權，建立了完整的鋅離子電池智慧財產權體系，為鋅離子電池在國際和國內的推廣打好堅實的基礎。
