電池及電冶金系統的電荷傳遞過程及其規律研究

《電池及電冶金系統的電荷傳遞過程及其規律研究》是依託東北大學，由王淑蘭擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：電池及電冶金系統的電荷傳遞過程及其規律研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：王淑蘭
• 依託單位：東北大學

中文摘要

電荷傳遞是電池及電冶金系統過程的重要步驟，是影響電池及電冶金系統性能的關鍵部位。由於電極系統的封閉性和複雜性，不能預測電極表面結構的變化，也無法跟蹤研究電極反應過程。電極界面區和系統其他部分在結構和性質上的差別使得它們對交流阻抗的回響出現在不同的頻率範圍。本項目擬採用交流阻抗譜技術，輔以XRD、SEM、TEM、XPS等表征技術，結合物理化學、結構化學和材料學的基礎知識，系統地研究對電池及電冶金領域具有重要意義三類電極系統的電荷傳遞過程：水溶液/金屬、熔融鹽/金屬和鋰離子電池電極，獲得在近平衡狀態下電荷傳遞電阻數據及其隨著電極性質、溫度、電解質組成變化的規律性，探索遠離平衡態下電荷傳遞電阻及電極的界面結構與電壓及電流之間的關係，以期深入理解電池及電冶金系統運行規律和現象，為電池及電冶金領域的研究與套用提供理論依據，建立一種研究電極過程動力學的新方法，發展冶金物理化學測試研究方法。

結題摘要

金屬的電荷傳遞電阻與金屬的性質、厚度和晶粒尺寸有關，通過研究交流阻抗譜，建立了金屬電極/水溶液界面電荷傳遞電阻與金屬的性質、電極的厚度及晶粒尺寸之間的關係。在納米厚度範圍內，Cu和Ni電極的電荷傳遞電阻隨著電極厚度的增加而下降，厚度低於20 nm時電荷傳遞電阻下降明顯。金屬的電荷傳遞電阻與金屬的性質及電子結構有關，隨著原子序數的增加而增大，表現出周期性的變化規律，VIB族金屬比IB族具有更大的電荷傳遞電阻。金屬Sn電極的儲鋰性能與Sn晶粒尺寸有關，隨著晶粒尺寸的增大，儲鋰性能下降。增加石墨電極表面粗糙能減小電荷傳遞電阻，提高反應活性。本工作為設計高性能的電化學器件、提高鋁電解過程的電流效率提供了有用的信息。材料的電荷傳遞能力是其結構的重要表現。通過設計熔鹽活化-過渡金屬催化、模板制孔、雜原子摻雜、冷凍乾燥和微波輔助加熱等實驗方法，製備了一系列結構和性能優異、具有快速電荷傳遞能力的分級多孔生物衍生碳和具有異質結構的金屬氧化物(氮化物)/C複合材料，獲得了製備條件對材料的微觀結構、電荷傳遞電阻、儲能、儲鋰和能源轉換性能的影響規律。氮摻雜提高了材料的贗電容、冷凍乾燥和熔鹽活化最佳化了材料的孔結構和孔徑分布、過渡金屬催化提高了材料中碳的石墨化度和電導率、異質結產生的界面電場促進電荷載流子分離和表面反應、使其具有增強的光吸收和電荷載流子分離效率及電化學活性，顯著地提高了材料的電荷傳遞性質和儲能儲鋰性能及光催化活性，為加工製備新型能源材料提供了新的研究方法和基礎數據，研究結果對能源領域的可持續發展具有重要的意義。本項目發表SCI檢索論文23篇，其中中科院1區論文16篇，ESI高被引論文1篇，大學擴展版ESI高被引論文2篇，最高影響因子24.88，培養博士生5人、碩士生9人，授權發明專利1項。