熔融盐体系下二维纳米硅/碳复合材料形态结构演化机制及储锂性能研究

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    21808046
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    23.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    B0815.能源化工
  • 结题年份:
    2021
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2021-12-31

项目摘要

Silicon, with high theoretical capacity, low voltage profile and abundant reserves, is an ideal candidate of anode materials for the development of Li ion batteries with high energy density. However, practical application of silicon anode is currently hindered by multiple challenges including its low electrical conductivity and enormous volume change during lithiation/delithiation processes. To address these issues from the viewpoint of material/surface and interface in mesoscale, a molten-salt route for magnesium-thermic synthesis of nano-silicon/carbon composites will be developed, in which only single organosilicon containing both silicon and carbon elements are used as the precursor. Nanostructured silicon can address problems caused by volume effect including particle pulverization and formation of unstable SEI layer. Combining nanostructured silicon with carbon material can also improve the electrical conductivity of silicon semiconductor. In this project, we will systematically study and clarify the coupling principles between chemical reaction and matter migration in molten-salt, identifying mechanism of morphology and structure transformation in mesoscale from organosilicon molecules to inorganic 2D nano-silicon/carbon composites. We will also systematically study and clarify the rules for electrochemical reaction of Li storage and charge (Li ion and electron) transport kinetics, identifying mechanism of electrode process and structure-activity relationship for this novel anode material. This project will offer new thinking and support for the rational design and synthesis of silicon anode material.
硅的理论比容量高,放电平台较低且储量丰富,是发展高比能锂离子电池的理想负极材料。然而,纯硅负极材料导电性差,且在锂化/脱锂过程中具有显著的体积效应,限制了其实际应用。为了解决这些问题,本项目拟从材料/表界面结构介尺度出发,建立以含硅和碳元素的单一有机硅源为前驱体,利用熔融盐体系下的镁热反应制备二维纳米硅/碳复合材料的新方法。硅的纳米化可以有效地缓解因体积效应而导致的材料粉化,难以形成稳定SEI膜等问题;纳米硅与碳材料复合可以显著地提高半导体硅的导电性。本项目将通过系统研究揭示熔融盐体系下的化学反应与物质迁移的耦合规律,阐明从有机硅源分子到无机二维纳米硅/碳复合材料的介尺度形态结构演化机制。通过系统研究揭示二维纳米硅/碳复合材料电化学储锂反应与电荷(锂离子和电子)传输动力学规律,阐明该新型负极材料的电极过程机理及构效关系。本项目将为硅基负极材料理性设计与合成提供新的思路和支持。

结项摘要

硅基负极材料具有高的理论比容量及较低的放电平台且储量丰富,是实现高比能锂离子电池的理想负极材料之一。但是硅在锂化/脱锂过程中显著的体积效应以及导电性差的特点限制了其实际应用。为了解决这些问题,本项目成功建立了以含硅和碳元素的单一有机硅源为前驱体,利用熔融盐体系下的镁热反应制备纳米硅/碳复合材料的合成方法。在此基础上进一步利用还原气氛替代镁金属作为还原剂,建立了基于熔融盐体系下制备纳米硅氧化物/碳复合材料的合成方法。该方法所得产物为典型的二维碳纳米片负载的纳米硅或硅氧化物复合材料。熔融盐反应环境为二维碳纳米片的形成提供了条件,分子动力学模拟也证实了碳原子在熔融盐中有重组为二维碳纳米片的演变趋势。该方法所制备的硅基复合材料展示出优异的储锂性能,在1A g-1的电流密度下500圈循环后容量能够保持在1250 mAh g-1,循环500圈的容量保持率为60%,相较于商业纳米硅循环有较大提升。本项目提供了一种从有机硅源分子到无机二维纳米硅/碳复合材料的演变途径,并发展了基于分子动力学模拟研究新型熔融盐反应环境下材料形貌演变的方法。本项目可以为硅基负极材料理性设计与合成提供新的思路和支持。

项目成果

期刊论文数量(7)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(1)
Oriented-Redox Induced Uniform MnO(2) Coating on Ni(3)S(2) Nanorod Arrays as a Stable Anode for Enhanced Performances of Lithium Ion Battery.
Ni(3)S(2) 纳米棒阵列上的定向氧化还原诱导均匀 MnO(2) 涂层作为稳定阳极,可增强锂离子电池的性能。
  • DOI:
    10.1021/acs.langmuir.0c02345
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    Langmuir
  • 影响因子:
    3.9
  • 作者:
    Jiang Miaomiao;Fan Xiaoming;Wang Zihan;Yang Zeheng;Huang Cheng;Zhang Weixin
  • 通讯作者:
    Zhang Weixin
Thermally activated carbon-nitrogen vacancies in double-shelled NiFe Prussian blue analogue nanocages for enhanced electrocatalytic oxygen evolution
双壳 NiFe 普鲁士蓝类似纳米笼中的热活化碳氮空位可增强电催化析氧
  • DOI:
    10.1039/d1ta01625c
  • 发表时间:
    2021-05-03
  • 期刊:
    JOURNAL OF MATERIALS CHEMISTRY A
  • 影响因子:
    11.9
  • 作者:
    Jiang, Miaomiao;Fan, Xiaoming;Zhang, Weixin
  • 通讯作者:
    Zhang, Weixin
Surface-Restructured Core/Shell NiO@Co3O4 Nanocomposites as Efficient Catalysts for the Oxygen Evolution Reaction
表面重构核/壳 NiO@Co3O4 纳米复合材料作为析氧反应的高效催化剂
  • DOI:
    10.1021/acs.iecr.9b02626
  • 发表时间:
    2019-09-11
  • 期刊:
    INDUSTRIAL & ENGINEERING CHEMISTRY RESEARCH
  • 影响因子:
    4.2
  • 作者:
    Cheng, Fengru;Fan, Xiaoming;Zhang, Weixin
  • 通讯作者:
    Zhang, Weixin
自牺牲模板法制备氮掺杂碳化钼/碳析氢电催化剂
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    化工学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    范小明;陈希奎;汪子涵;曹帅;程凤如;杨则恒;张卫新
  • 通讯作者:
    张卫新
CoP Microscale Prism-like Superstructure Arrays on Ni Foam as an Efficient Bifunctional Electrocatalyst for Overall Water Splitting
泡沫镍上的 CoP 微型棱柱状超结构阵列作为高效双功能电催化剂用于整体水分解
  • DOI:
    10.1021/acs.inorgchem.0c00959
  • 发表时间:
    2020-06-15
  • 期刊:
    INORGANIC CHEMISTRY
  • 影响因子:
    4.6
  • 作者:
    Cao, Shuai;You, Ning;Zhang, Weixin
  • 通讯作者:
    Zhang, Weixin

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其他文献

超声检查在肺栓塞诊断中的应用进展
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    中华结核和呼吸杂志
  • 影响因子:
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  • 作者:
    王浙桦;李亚清;范小明;刘元顺
  • 通讯作者:
    刘元顺
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  • DOI:
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  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    计算机研究与发展
  • 影响因子:
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  • 作者:
    蒲旭;王建勇;范小明;Pu Xu;Wang Jianyong;Fan Xiaoming
  • 通讯作者:
    Fan Xiaoming

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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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