铅液流电池PbO2沉积层脱落机理及其微观形貌调控因素研究

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基本信息

  • 批准号：
    51704122
  • 项目类别：
    青年科学基金项目
  • 资助金额：
    21.0万
  • 负责人：
    吴旭
  • 依托单位：
    华中科技大学
  • 学科分类：
    E0410.冶金物理化学与冶金原理
  • 结题年份：
    2020
  • 批准年份：
    2017
  • 项目状态：
    已结题
  • 起止时间：
    2018-01-01 至2020-12-31

项目摘要

Lead flow battery is a kind of the next generation lead acid batteries. Lead flow batteries are environmentally friendly with high active Pb materials usage ratio. Currently, the main problem of lead flow batteries is the poor charge discharge cycle stability, due to that the PbO2 deposits fall off electrode surface. In this research, the in-situ electrochemical atomic force microscope will be adopted to observe the morphologies of PbO2 deposits during the electrodeposition/electrodissolution reactions. Approaches for tuning the morphologies and crystallite structures of the PbO2 deposits will be analysed. The dynamic variations of Pb2+ concentration distribution during charge-discharge will be studied by electrochemical engineering modelling. The actual failure processes of lead flow batteries will be explained. The results from atomic force microscope study as well as data from modelling will be combined with actual single cell lead flow battery charge-discharge tests, to figure out the answers of two scientific questions, i.e. the failure mechanism of lead flow battery and the routines to control the morphology and crystallite structures of PbO2 deposits. Subsequently, methods for hindering the PbO2 deposits falling off could be proposed, and will be exanmined by actual battery performance tests, providing theoretical basis for future studies.
铅液流电池作为一种下一代铅酸电池，具有环境友好和活性物质利用率高的特点。目前铅液流电池的主要问题是，由于PbO2沉积层脱落导致循环充放电稳定性差。本课题将采用原位电化学原子力显微镜，观察在电沉积/溶出过程中电极表面PbO2沉积层的微观形貌实际变化过程，分析微观形貌和晶型的调控规律。本课题将采用电化学工程数值模拟，研究充放电过程中Pb2+浓度分布等参数的动态变化规律，理解电池失效的动态过程。将原位电化学原子力显微镜和多物理场耦合数值模拟两方面的研究结果与实际的铅液流电池循环充放电测试结果结合起来，阐明两方面的关键科学问题，即铅液流电池的失效机理，以及PbO2沉积层微观结构和晶型的调控规律。进而，研究如何通过抑制PbO2沉积层脱落提高铅液流电池循环充放电稳定性，并进行电池性能实测验证，为后续研究提供理论支持。

结项摘要

铅液流电池较传统铅酸电池而言活性物质利用率更高、更加对环境友好，然而其循环寿命较短的缺陷制约了其进一步实现产业化的进程。针对现有铅液流电池正极二氧化铅易脱落导致的循环稳定性不足这一问题，本项目通过采用电化学石英晶体微天平和电化学原子力显微镜等电化学分析手段实现了原位分析技术在亚原子尺度上对铅的电化学进行研究；开拓了在电沉积二氧化铅的形貌调控、晶型转化、生长动力学等方面的认知，构建了基于多物理场耦合数值模拟技术的铅电极分析方法。解析了不同晶相比例的二氧化铅的结合水含量，阐明了晶相比例对二氧化铅电极失效的影响规律，验证了电沉积过程中α和β两种晶相二氧化铅的结晶成核形貌特征和竞争生长的过程机理。利用电化学石英晶体微天平测试了铅电池关键失效原因——二氧化铅电极活性物质软化、脱落，解释四种典型晶相组成的二氧化铅的循环稳定性和活性物质脱落情况。与此同时，研究了可溶性铅液流的电解液的电化学性质，探究了铅液流电池生命周期的影响因素，以及阐释了铅液流电池失效机理。基于失效过程的观察，本项目提出了两种可能的脱落失效机理，对铅液流电池延长循环寿命和缓解正极活性物质脱落具有指导意义。

项目成果

期刊论文数量（13）
专著数量（0）
科研奖励数量（0）
会议论文数量（0）
专利数量（2）
Phosphate Recovery from Swine Wastewater by a Struvite Precipitation Electrolyzer
利用鸟粪石沉淀电解槽从养猪废水中回收磷酸盐
  • DOI：
    10.1038/s41598-019-45085-3
  • 发表时间：
    2019-06
  • 期刊：
    Scientific Reports
  • 影响因子：
    4.6
  • 作者：
    Wang Fang;Fu Rao;Lv Hang;Zhu Guoliang;Lu Binwei;Zhou Zheng;Wu Xu;Chen Huanchun
  • 通讯作者：
    Chen Huanchun
Soluble metal ions migration and distribution in sludge electro-dewatering
污泥电脱水中可溶性金属离子的迁移与分布
  • DOI：
    10.1016/j.envres.2019.108862
  • 发表时间：
    2020-01-01
  • 期刊：
    ENVIRONMENTAL RESEARCH
  • 影响因子：
    8.3
  • 作者：
    Lv, Hang;Xing, Siqi;Wu, Xu
  • 通讯作者：
    Wu, Xu
Effects of temperature variation on wastewater sludge electro-dewatering
温度变化对废水污泥电脱水的影响
  • DOI：
    10.1016/j.jclepro.2019.01.033
  • 发表时间：
    2019-03-20
  • 期刊：
    JOURNAL OF CLEANER PRODUCTION
  • 影响因子：
    11.1
  • 作者：
    Lv, Hang;Liu, Daoguang;Dai, Xiaohu
  • 通讯作者：
    Dai, Xiaohu
Reuse of Ni-Co-Mn oxides from spent Li-ion batteries to prepare bifunctional air electrodes
废旧锂离子电池镍钴锰氧化物的再利用制备双功能空气电极
  • DOI：
    10.1016/j.resconrec.2017.10.021
  • 发表时间：
    2018-02
  • 期刊：
    Resources, Conservation and Recycling
  • 影响因子：
    --
  • 作者：
    Wei Jucai;Zhao Shichang;Ji Liangxin;Zhou Ting;Miao Yangyang;Scott Keith;Li Dinggen;Yang Jiakuan;Wu Xu
  • 通讯作者：
    Wu Xu
EQCM study of hydrated PbO2 content and its influence on cycling performance of lead-acid batteries
水合PbO2含量及其对铅酸电池循环性能影响的EQCM研究
  • DOI：
    10.1016/j.est.2019.01.015
  • 发表时间：
    2019-02
  • 期刊：
    Journal of Energy Storage
  • 影响因子：
    9.4
  • 作者：
    Wei Jucai;Gu Yueyuan;Guo Zhigang;Deng Chengzhi;Xie Mengru;Li Jindong;Xiong Rui;Xue Yawen;Wang Li;Zhao Haimin;Wu Xu
  • 通讯作者：
    Wu Xu

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其他文献

抑郁症动物模型的研究进展
  • DOI：
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    2018
  • 期刊：
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    吴旭
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  • 作者：
    魏利胜;吴旭
  • 通讯作者：
    吴旭

其他文献

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课题项目：调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要：

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题，其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子，其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而，TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用，影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法，探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用，为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义，并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路：

科学问题：TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达？
前期研究：已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应，但其具体机制尚不明确。
研究创新点：本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线：包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术：TRIM2与病毒RNA的相互作用分析，IFN-β启动子活性检测。
实验模型：使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
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