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研究方向
研究方向
发布日期：2021-09-17
● 锂离子电池与超级电容器材料与技术
锂离子电池和超级电容器广泛应用于便携式电子设备、网络基站、电动汽车等的动力电源，也被广泛用做风能、太阳能等的能源储备系统。锂离子电池和超级电容器的质量、体积比能量和比功率及循环寿命、安全性等指标与构成电池和超级电容器的电极材料关系密切，因此开展相关电极材料相关基础和应用技术研究对于发展高效锂离子电池和超级电容器具有重要意义。该研究方向的主要研究内容包括如下：
(1) 高效低成本硅碳锂离子负极材料制备与应用：
硅理论储锂容量4200 mAh/g，在充放电过程硅发生严重体积效应,导致电极粉化影响电池稳定性。多孔硅结构可缓解硅的体积变化，其孔道结构能为离子快速传输提供通道，进一步对多孔硅进行炭包覆可提高材料导电性，这些都有利于电池倍率性能。国际电动汽车领军者特斯拉公司2017年在石墨负极加入10%硅粉，电池能量密度提升了20%，为硅碳负极提供了可期待的市场前景。 实验室主要研究构建高孔隙率的纳米硅碳复合材料方法与技术工艺，实现高容量，高循环稳定性，高功率密度的硅碳负极材料制备与应用。
(2) 多孔碳结构与表面化学调控及其高效超级电容器：
超级电容器的特点是功率高、循环寿命长，在电动汽车领域可在动力系统中补充电池功率不足的弱点，因而也成为电动汽车开发领域的重要技术内容之一。实验室将利用在多孔碳纳米材料方向的研发优势，基于双电层和法拉第反应的储能机理，研究制备适宜电荷堆积和利于离子传输的具有高比表面积的有序多孔碳纳米材料，设计高比容量和比功率的超级电容器。通过研究调控纳米碳材料组织结构和表面化学特性，开发双电层和法拉第混合型超级电容器。
(3) 锂离子电池全固态电解质合成与性能研究：
锂离子电池因其具有较高的理论容量和能量密度、环境友好、成本低等优点，是目前应用的主要高性能电池，特别是高比能量的锂电池有望应用于电动汽车、航空航天和国防装备等领域。但液态电解质的金属锂电池内部，充放电过程中金属锂表面会形成孔洞和枝晶，导致锂电极粉化。同时锂枝晶可能会刺穿多孔聚合物隔膜造成电池内短路，粉化后的锂电极与液态电解质间的界面副反应会更为严重，导致界面电阻增加并带来安全问题,该研究方向主要从事锂离子电池电解质方面的研究，构建新型的有机聚合物复合的全固态电解质体系。重点解决锂离子电池的安全性及锂枝晶生长等关键问题，研究锂离子快速传导机制和界面形成过程，实现全固态锂离子电池发展和应用。
● 高效ORR催化剂与质子膜燃料电池技术
质子膜燃料电池其燃料通常为空气和氢气，而排放物为水，是最为理想的能量转换系统之一，也是下一代电驱动汽车的理想动力驱动系统。目前质子膜燃料电池因氧还原反应催化剂要使用贵金属铂，而其价格昂贵资源缺乏，且易发生催化剂中毒，因而导致燃料电池仍难以商业化应用。在该研究方向，实验室主要开展高效低成本的ORR催化剂合成与应用研究。
(1) 无金属碳基催化剂合成与其ORR催化机理：
以多孔碳的孔结构与表面化学官能团为研究对象，研究碳基催化剂孔结构对反应物传输，表面官能团对ORR催化，及其孔结构与表面化学对ORR的共同影响机理。基于ORR机理研究，研究开发单元素和多元素掺杂的多孔碳高效ORR催化剂。
(2) 基于多层次结构的多重ORR催化非贵金属催化剂合成与应用：
研究合成由过渡金属位、（N/P/S）原子掺杂位、金属-氮键（Me-Nx）构筑的多层次结构的燃料电池阴极催化剂。通过研究多重ORR活性位催化及可能存在的协同催化效应，制备高效ORR催化剂，研究其在质子膜燃料电池中的应用特性。
● 清洁高含能量材料-多氮化合物合成与应用
含能材料是发射药（火药）、炸药、推进剂等的主要成分，是实现推进、抛射、爆炸摧毁等目的的能量来源。多氮或聚合氮物质因氮氮单键或双键向氮氮三键转化释放大量的能量，一直以来是追求的最佳的候选者。通常来说，多氮化合物通常是指分子结构中含有多个氮原子直接相连的化合物。由于其高氮低碳氢含量以及结构高张力使得此类物质普遍具有高的生成热，且易于实现氧平衡。同时由于其分解产物为清洁的氮气，也是未来作为高密度能量材料在火药、推进剂等领域的重点发展对象。但是多氮化合物普遍存在制备方法和稳定性差等不足，本研究方向主要基于五唑（五元氮环）的结构，开展新型化合物的结构设计和探索实验，重点研究结构和性能之间的协同作用机理研究。