锂离子电池负极中空锗纳米管电极的稳定性研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51301117
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    24.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0104.金属结构材料与力学行为
  • 结题年份:
    2016
  • 批准年份:
    2013
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2014-01-01 至2016-12-31

项目摘要

Capacity of lithium ion battery can be improved by germanium nanowire array with large theoretical specific capacity. However, mechanical stresses induced by the volume changes during cycling result in capacity fading and poor cycling life. Hollow germanium nanotube was used to improve the cyclic stability of electrode by easing volume expansion. The effect of composition, morphology and structure of nanotube on the stability and electrochemical performance of electrode were studied, and the mechanism of improving the germanium electrode stability was revealed. On this basis, polymer nano diaphragm coated hollow germanium nanotube structure were designed to improve the structure and interface stability of germanium nanotube array electrode. The relationship between structure (morphology, thickness, glass transition temperature) and the properties (electrochemical, interfacial compatibility, stress change, charge/discharge volume evolution) were explored. Mechanism of electrode stabilization was studied by online observation of morphology ,structure and stress combined with the finite element simulation, which provided theoretical basis and design method for the design and development of lithium ion battery with high capacity and stability.
锗纳米线阵列电极具有可利用其高质量和体积比容量以及纳米线阵列结构提高电池容量的优势,然而存在由于充放电体积膨胀和纳米线结构形变引起的电极循环和结构稳定性差的缺陷。本课题组设计中空锗纳米管结构,利用中空结构缓解锗负极材料的体积膨胀,提高电极的循环稳定性,探索纳米管组成、形貌及结构与电极稳定性以及电化学性能之间的内在联系,揭示中空纳米管结构提高锗电极稳定性的作用机制。在此基础上,为提高锗纳米管阵列电极的结构与界面稳定性,设计高分子纳米隔膜包覆中空锗纳米管结构,探索高分子纳米隔膜厚度、凝聚态结构、玻璃化温度等对电极充放电过程中体积演变、应力变化、界面相容性以及电池电化学性能之间的内在联系,并通过在线观测电极体积、形貌/应力分布动态变化,结合有限元模拟计算,揭示核壳包覆结构实现电极稳定化的机理,为高容量、高稳定性锂离子电池的发展与设计提供理论依据和设计方法。

结项摘要

作为锂离子电池负极材料,锗纳米线阵列电极能够提高电池容量,然而存在锗锂合金化过程中体积膨胀引起的充放电循环稳定性差及纳米线本身结构稳定性差的缺陷。本项目围绕锗纳米线电极的稳定化开展实验和理论模拟研究。(1)利用模板内化学气相沉积法结合高温退火处理制备锗纳米管负极,并提出了利用柯肯达尔效应制备锗纳米管的反应机理。循环100次之后,可逆容量在800 mAhg-1,库伦效率均保持在99%以上,循环性能远高于纳米线负极,表明纳米管结构能够提高负极稳定性,并提出了纳米管结构提高负极稳定性的机理,主要与纳米管空腔结构缓解体积膨胀相关。(2)在纳米管负极基础上,利用微扩孔和原位浸润高分子溶液的方法制备了PEO包覆锗纳米管结构负极,循环100次之后,可逆容量约在1000 mAhg-1,库伦效率均保持在99%以上,循环性能进一步改进,并提出了聚合物提高纳米管稳定性的机理,主要跟聚合物提高SEI膜的稳定性和聚合物柔性缓解体积膨胀有关。(3)基于纳米球负极材料,考虑实心球与空心球两种情况,建立锂离子电池充放电过程中浓度、位移等方程,模拟了锂离子电池充放电过程中负极材料应力分布变化。结果表明空心球的径向和环向应力远低于实心球,在循环过程中应力不易达到强度极限而产生裂纹以致失效,极大地降低了负极材料充电过程中的应力破坏风险,理论证实了内部空腔结构具有更好的力学稳定性。

项目成果

期刊论文数量(14)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Amperometric catechol biosensor based on laccase immobilized on nitrogen-doped ordered mesoporous carbon (N-OMC)/PVA matrix.
基于氮掺杂有序介孔碳(N-OMC)/PVA基质上固定漆酶的安培儿茶酚生物传感器
  • DOI:
    10.1088/1468-6996/15/3/035005
  • 发表时间:
    2014-06
  • 期刊:
    Science and technology of advanced materials
  • 影响因子:
    5.5
  • 作者:
    Guo M;Wang H;Huang D;Han Z;Li Q;Wang X;Chen J
  • 通讯作者:
    Chen J
气化炉运行引起楼层振动的实验研究和计算机模拟
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
    实验技术与管理
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    陈红英;陈昭怡;苗淑青;郭美卿
  • 通讯作者:
    郭美卿
镁合金支架材料AZ81表面PLGA(PTX)/PLLA/MAO涂层的研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    稀有金属材料与工程
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    黄棣;戴震;许鑫华;陈维毅
  • 通讯作者:
    陈维毅
Buckling analysis of filament wound composite cylindrical shell for considering the filament undulation and crossover
考虑纤维波动和交叉的纤维缠绕复合材料圆柱壳屈曲分析
  • DOI:
    10.12989/sem.2015.55.2.399
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    Structural Engineering and Mechanics
  • 影响因子:
    2.2
  • 作者:
    Guo, Zhangxin;Han, Xiaoping;Guo, Meiqing;Han, Zhijun
  • 通讯作者:
    Han, Zhijun
测量摩擦系数的三力平衡装置研制与应用
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
    实验技术与管理
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    陈静;陈维毅;郭美卿
  • 通讯作者:
    郭美卿

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其他文献

基于电化学-应力耦合模型的锂离子电池硅/碳核壳结构的模拟与优化
  • DOI:
    10.7498/aps.70.20210455
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    物理学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    柳小伟;宋辉;郭美卿;王根伟;迟青卓
  • 通讯作者:
    迟青卓

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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