解读“高效纳米储能材料与器件的基础研究”

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1、解读“高效纳米储能材料与器件的基础研究”为继续保持我国在纳米科技国际竞争中的优势，并推动相关研究成果的转化应用，2016年国家科技部会同有关部门编制了纳米科技重点专项实施方案，并指出该重点专项的总体目标是获得重大原始创新和重要应用成果，提高自主创新能力及研究成果的国际影响力，力争在若干优势领域率先取得重大突破。申报指南指明重点专项包括新型纳米制备与加工技术、纳米表征与标准、纳米生物医药、纳米信息材料与器件、能源纳米材料与技术、环境纳米材料与技术及纳米科技重大问题7个方面的研究方向。通过形式审查、函评、视频答辩等申报环节，最终有43个相关项目

2、获得资助。能源纳米材料与技术方向中的5.2纳米能量存储材料及器件明确要求在下一代锂、铝等储能电池的纳米电极材料结构的设计和充放电过程中的电子结构、晶体结构、界面反应的演化规律方面开展研究工作，并指出相应的考核指标为新型纳米电极材料的锂电池储能密度大于400iddot;h/kg，循环稳定性大于500次。　　针对指南5.2要求，厦门大学作为项目牵头单位，联合武汉理工大学、华南理工大学和中山大学，组织申报了以高效纳米储能材料与器件的基础研究为题目的项目，并最终获得了支持，项目批准号为2016YFA0202600。下文介绍该项目的主要研究思路。　　

3、1项目目的和意义　　当前，煤、石油等化石燃料不断消耗导致的能源危机和环境污染成为了人类可持续发展面临的严峻挑战。开发可再生能源以及发展高效、廉价和环境友好的绿色储能系统迫在眉睫。近年来，随着科技的进步和需求的增长，锂离子电池从电子终端设备进一步扩展到电动汽车、智能电X、航空航天、军事储能等新能源高能耗领域，成为了今后的重点发展方向之一。然而，现有体系已难以满足高能量、高功率、长寿命和低成本的要求。因此，研发高能量密度、长循环寿命以及安全性能良好的新一代高性能锂离子电池对推进新能源产业的快速发展具有重要的科学意义和现实的紧迫性。　　高性能锂离

4、子电池的开发和应用是一项极其复杂的系统工程，国家重点研发计划纳米科技重点专项高效纳米储能材料与器件的基础研究项目正是聚焦在该领域中亟待系统和深入研究的关键科学问题，将在理论计算、材料制备、原位表征及器件组装等方向进行协同创新。通过完成本项目，研制出高性能锂离子电池纳米电极材料和新型固体电解质体系，深刻揭示纳米材料储能机制和容量衰减的本征因素，获得具有自主知识产权和国际核心竞争力的高比能新型高效纳米储能材料与器件的相关技术资料，推动纳米科技产业发展，显著提升我国在电化学储能领域的研发水平和技术创新能力。　　2项目总体目标　　结合理论计算和实验

5、结果验证，力争在下一代锂、铝等储能电池的关键材料及器件设计方面取得突破;发展电极微纳结构与表界面的原位表征技术;获得稳定且紧密结合的纳米电极材料-电解质界面关键核心技术;明确提升电池能量密度的优化策略及其实现途径;在电池能量密度、安全性、使用寿命以及生产成本等方面获得一系列原创性成果，解决其中一些重大基础和应用问题;最终实现锂离子样品电池能量密度大于400iddot;h/kg，循环稳定性大于500次的目标。　　3项目拟解决的关键科学与技术问题　　围绕项目的总体目标，本项目凝炼出三个关键的科学问题：①探寻高性能锂、铝等电池纳米电极材料和新型固

6、体电解质体系，提出微纳复合结构电极材料的优化设计理论，实现纳米电极材料的可控制备，开发电极/电解质一体化界面构筑技术;②发展电极微纳结构与表界面的原位表征方法，探索电极添加剂对材料性能的影响以及材料晶体结构、电子结构和界面反应的原位演化规律，揭示材料储能机制和容量衰减的本征因素;③开发高性能、低成本纳米储能材料的大面积可控制备技术，实现新型高效储能器件的设计与研制。　　4项目主要研究内容和主要技术指标　　针对以上关键科学与技术问题，本项目拟开展以下几个方面的研究。　　(1)高性能电池关键材料的理论预测与设计通过第一性原理的电子结构计算以及分

7、子动力学模拟方法，结合先进的结构预测方法，实现对电池关键材料电子性质的计算和晶体结构的预测，为研制新型高能量密度的锂、铝等电池提供理论指导。　　(2)纳米电极材料及电解质的研制与结构调控在前期理论计算与预测的基础上，探索高性能锂、铝等电池纳米电极材料新体系，提出微纳复合结构电极材料的性能优化策略;研制高离子导电率的电解质材料，并开发稳定且紧密结合的纳米电极材料-电解质界面新技术。　　(3)电极微纳结构与表界面的原位表征及演化规律发展电极微纳结构与表界面的原位表征方法，探索锂、铝等电池的纳米电极材料在电化学反应过程中的电输运、电子结构、晶体结

8、构、表观形貌和界面反应的演化规律，从而揭示电极材料的储能机制、容量衰减因素、SEI膜和负极金属枝晶的形成过程及添加剂对电极材料电化学性能的本征影响，为进一步优化纳米电极材料的电化