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新型碳基储能材料结构设计与性能

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登记号:G20200900

所属行业:教育

学科分类:材料化学;

关键词: 结构设计 储能材料 电化学性能 新型碳基材料 可控合成

绿色分类:其他资源效率提升;

  • 基本信息
成果名称: 新型碳基储能材料结构设计与性能
成果登记号: G20200900 学科分类: 材料化学;
绿色分类: 其他资源效率提升; 项目关键词: 结构设计  储能材料  电化学性能  新型碳基材料  可控合成
推荐单位:

同济大学

成果所处阶段: 成熟应用阶段
合作方式: 合资合作, 成果所属行业: 教育
国家/地区: 中国 知识产权: 发明专利,其他
简介: 点击查看

该项目属于材料科学领域。高性能储能材料和器件是新能源和新兴电子智能设备等高科技产业发展的迫切需求,目前碳基材料仍然是最具性价比的能源存储材料,但其还存在能量密度不高的重大技术瓶颈。因此,运用多学科基本原理和方法设计高性能碳基电极材料,发展新型碳基材料的可控合成和结构调控方法学,解决其在储能应用中的关键科技问题,是解决上述瓶颈的关键所在。该项目围绕新型碳基材料结构设计与性能开展了创新性研究工作,主要科学发现如下:(1)将胶体与表界面科学、配位化学和反应动力学基本原理和方法应用于材料的设计合成过程,提出新型碳基储能材料的结构设计与可控合成方法学。发展了“聚合物胶体诱导”的超微孔@微孔核-壳结构、“乳液-水热法”的分级孔结构、“微相分离”动力学控制的介孔结构的可控构筑的碳基材料结构设计新方法,克服了普通碳材料孔分布宽且不易控制的关键难题,实现了超微孔的精准控制及其与电解质离子尺寸的匹配,提高电解质离子对孔道表面的利用率及其在孔道内传质性能,实现电极容量的最大化,大幅提高倍率性能和循环性能。该发现点还成功指导了氮掺杂超微孔碳基超级电容器电极材料的研制。(2)应用表面化学、高分子科学和物质结构基本原理和方法,实现对碳材料的表面化学和表面性质的调控,发展碳材料表面功能化新方法。设计了具有高热稳定性的富氮双链梯形分子前驱体,并以此发展高效简捷的高氮掺杂碳微球合成新方法,解决传统方法中由于前驱体杂原子含量不高或/和热稳定性差导致碳材料中杂原子含量普遍不高的难题,从而明显改善碳材料表面化学性质,提升电解质离子在其孔道中的传输性能,同时又大幅增加了电极材料的赝电容,进而明显提高碳材料的电化学性能。此外,基于聚合物胶体诱导、席夫碱化学和刚性结构构筑的耦合作用,实现超微孔碳与原位氮表面改性的有机结合,建立了氮功能化超微孔碳纳米粒子的设计合成方法。(3)基于相变动力学基本原理的研究思路,发现了某些过渡金属氧化物促进碳材料低温石墨化的新效应。热固性树脂衍生碳即使经过极高温度(3000℃)处理后仍然难以石墨化或者石墨化程度较低。而高温处理会导致材料比表面积显著降低,不利于其作为电极材料使用。首次发现某些过渡金属氧化物在常规碳化温度下就能显著促进碳材料石墨化度的新效应,并能同时引入高电化学活性的赝电容效应,在此基础上可控合成了高性能MnO2(NiO)/碳微球等电极材料,使碳材料具有良好的导电性和极低的内阻,极大提高了其电化学性能。该项目已发表SCI收录论文54篇(13篇论文先后入选ESI前1%高被引论文,3篇次论文入选ESI前1‰热点论文),研究成果被国内外同行所公认,已被61个国家和地区的554个研究机构,328种出版物引用。8篇代表性论文(全部先后入选ESI高被引论文,1篇论文两度入选ESI热点论文)他引1013次,SCI他引795次,单篇最高他引252次,SCI他引197次。

姓名: 甘礼华 性别:
出生日期: 2020-08-27 职务:
国籍(地区): 中国 联系地址: 上海市杨浦区四平路1239号
电子邮件: chengky@tongji.edu.cn
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