Electrophoretic Deposition of Ternary Metal Sulfide Electrochemical Electrodes with Tunable Pore Structure

电泳沉积孔结构可调的三元金属硫化物电化学电极

基本信息

  • 批准号:
    1941135
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 54.99万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2020
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2020-05-01 至 2025-04-30
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

This grant supports research that contributes new knowledge to the manufacturing of ternary metal sulfide electrochemical electrodes for energy storage applications. Complex metal sulfides are materials made from sulfur combined with more than one metal. These complex metal sulfides have emerged as a new and increasingly researched system for energy applications due to their high application performance, low cost, and portfolio of earth-abundant, non-toxic alternatives to standard materials. Compared to the currently used metal oxides, metal sulfides have demonstrated better electrical conductivity, greater mechanical and thermal stability, and higher performance. However, the widespread industrial integration of electrodes, which is the basis for most energy applications, made from metal sulfide nanostructures is impeded by the lack of large-scale production methods that are low cost, efficient, and simple. Additionally, one of the important but often overlooked design parameters for electrodes is the pore structure, which plays an important role in increasing performance. This grant addresses both issues by investigating methods for scalable nanomanufacturing of complex metal sulfide nanocrystals and assembling them into optimum porous electrode structures. The outcome of this grant benefits the U.S. economy and society because electrochemical electrodes are key components of batteries and supercapacitors, which power and store energy for many devices and applications in modern society. This work advances the next generation of electrochemical energy materials, leading to improvements in energy conversion, storage, and lowering of cost. It broadens the participation of underrepresented groups and promotes teaching and learning by developing lending library modules.Current injection methods for synthesis of ternary sulfide nanocrystals suffers from low conversion yield and poor reproducibility This project overcomes these technical barriers by manufacturing ternary sulfide nanocrystals through a solvent-less synthesis method, employing highly reactive anion precursors, such as ammonium sulfide, and metal carboxylates in the organic phase. This research uses electrophoretic deposition to assemble the complex metal sulfide nanocrystals into electrochemical electrodes with controlled porosity. The nanocrystal building-blocks are uniform in size and no additives are used, which permits tailoring and quantification of the packing and pore structure of the electrode. The research team seeks to achieve high-fidelity printing of thin three-dimensional electrode films with tunable pore size by directed assembly of colloidal particles in electric fields. The research investigates non-linear applied potentials and characterizes the films with methods including electrochemical impedance spectroscopy, Voronoi tessellations to quantify the pore structure, and radial distribution function analysis.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
该赠款支持为储能应用三元金属硫化物电化学电极的制造贡献新知识的研究。复合金属硫化物是由硫与一种以上金属结合制成的材料。这些复杂的金属硫化物由于其高应用性能、低成本以及地球上丰富的、无毒的标准材料替代品组合,已成为一种新的、日益研究的能源应用系统。与目前使用的金属氧化物相比,金属硫化物表现出更好的导电性、更好的机械和热稳定性以及更高的性能。然而,由金属硫化物纳米结构制成的电极是大多数能源应用的基础,其广泛的工业集成由于缺乏低成本、高效和简单的大规模生产方法而受到阻碍。 此外,电极的重要但经常被忽视的设计参数之一是孔隙结构,它在提高性能方面发挥着重要作用。该资助通过研究复杂金属硫化物纳米晶体的可扩展纳米制造方法并将其组装成最佳多孔电极结构来解决这两个问题。这笔拨款的成果有利于美国经济和社会,因为电化学电极是电池和超级电容器的关键组件,为现代社会的许多设备和应用提供动力和储存能量。这项工作推进了下一代电化学能源材料的发展,从而改善了能量转换、存储并降低了成本。它通过开发借阅图书馆模块,扩大了弱势群体的参与,并促进了教学和学习。目前合成三元硫化物纳米晶体的注射方法存在转化率低和重现性差的问题。该项目通过溶剂制造三元硫化物纳米晶体,克服了这些技术障碍。较少的合成方法,在有机相中使用高反应性阴离子前体,例如硫化铵和金属羧酸盐。 该研究利用电泳沉积将复杂的金属硫化物纳米晶体组装成孔隙率受控的电化学电极。纳米晶体构件尺寸均匀,不使用任何添加剂,这使得电极的填充和孔隙结构可以进行定制和量化。研究小组试图通过胶体颗粒在电场中的定向组装,实现孔径可调的三维电极薄膜的高保真打印。该研究研究了非线性应用电位,并采用电化学阻抗谱、量化孔结构的 Voronoi 曲面细分以及径向分布函数分析等方法对薄膜进行了表征。该奖项反映了 NSF 的法定使命,并通过使用基金会的智力价值和更广泛的影响审查标准。

项目成果

期刊论文数量(3)
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专利数量(0)
Enhanced Li-ion diffusion and electrochemical performance in strained-manganese–iron oxide core–shell nanoparticles
应变锰-氧化铁核-壳纳米粒子中增强的锂离子扩散和电化学性能
  • DOI:
    10.1063/5.0065506
  • 发表时间:
    2021-10
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Bhargava, Anuj;Elbaz, Yuval;Sam, Quynh;Smeaton, Michelle A.;Kourkoutis, Lena F.;Caspary Toroker, Maytal;Robinson, Richard D.
  • 通讯作者:
    Robinson, Richard D.
Multiscale hierarchical structures from a nanocluster mesophase
纳米团簇中间相的多尺度分级结构
  • DOI:
    10.1038/s41563-022-01223-3
  • 发表时间:
    2022-04
  • 期刊:
  • 影响因子:
    41.2
  • 作者:
    Han, Haixiang;Kallakuri, Shantanu;Yao, Yuan;Williamson, Curtis B.;Nevers, Douglas R.;Savitzky, Benjamin H.;Skye, Rachael S.;Xu, Mengyu;Voznyy, Oleksandr;Dshemuchadse, Julia;et al
  • 通讯作者:
    et al
Explanation of the Opposing Shifts in the Absorption Edge and the Optical Resonance in CuFeS 2 Nanoparticles
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  • DOI:
    10.1021/acs.jpcc.1c07956
  • 发表时间:
    2022-03
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Yao, Yuan;Biswas, Santu;Kang, Minsoo;Toroker, Maytal Caspary;Robinson, Richard D.
  • 通讯作者:
    Robinson, Richard D.
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  • 作者:
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知道了