項(xiàng)目名稱(chēng)：納米材料與技術(shù)在智能電網(wǎng)儲(chǔ)能用二次電池中應(yīng)用基礎(chǔ)研究

1、項(xiàng)目名稱(chēng)：納米材料與技術(shù)在智能電網(wǎng)儲(chǔ)能用二次電池中應(yīng)用基礎(chǔ)研究首席科學(xué)家：陳軍 南開(kāi)大學(xué)起止年限：依托部門(mén)：教育部 天津市科委二、預(yù)期目標(biāo)（一） 總體目標(biāo)：在納米電極材料的設(shè)計(jì)理論、制備技術(shù)、表征方法以及電極反應(yīng)機(jī)理等基礎(chǔ)理論方面取得重要突破。通過(guò)研究納米電極材料的組成、微結(jié)構(gòu)、表面/界面性質(zhì)等對(duì)其電化學(xué)性能的影響規(guī)律，揭示納米結(jié)構(gòu)中電極反應(yīng)機(jī)理，離子輸運(yùn)、電子傳導(dǎo)及能量傳輸?shù)男乱?guī)律及其演化過(guò)程，考察納米材料在二次電池應(yīng)用中的失效機(jī)理與安全性能。實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵納米材料的高效、低成本合成制備，達(dá)到1000kg級(jí)的工業(yè)批量制備能力。針對(duì)智能電網(wǎng)中儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展，研制新型鉛酸電池和鋰離子電池，與現(xiàn)有同類(lèi)電池

2、相比，循環(huán)壽命提高50%以上。優(yōu)化儲(chǔ)能系統(tǒng)，使系統(tǒng)使用壽命滿(mǎn)足要求，儲(chǔ)能用新型新型鉛酸電池能量密度達(dá)到4050 Wh/kg，新型鋰離子電池能量密度達(dá)到160200Wh/kg，為新能源利用提供研究基礎(chǔ)。同時(shí)，利用源頭創(chuàng)新，獲得具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型二次電池納米材料與技術(shù)，創(chuàng)建新型二次電池納米材料研究創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)與國(guó)際合作科研平臺(tái)，促進(jìn)我國(guó)智能電網(wǎng)與可再生能源的發(fā)展。（二）五年預(yù)期目標(biāo)：在項(xiàng)目實(shí)施的5年內(nèi)，預(yù)期取得如下目標(biāo)：1）通過(guò)材料計(jì)算與模擬，結(jié)合凝聚態(tài)物理、量子化學(xué)、統(tǒng)計(jì)力學(xué)和分子動(dòng)力學(xué)等知識(shí)，從分子水平設(shè)計(jì)智能電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)所需新型納米電極和電解質(zhì)材料，預(yù)測(cè)材料的穩(wěn)定性，電子電導(dǎo)率，以及氧化還原

3、電位等熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能，研究出具有高穩(wěn)定性、高離子/電子輸運(yùn)能力的三維電極的設(shè)計(jì)方法，指導(dǎo)二次電池關(guān)鍵材料微納化合成及可控生長(zhǎng)。2）發(fā)展高效的形貌控制合成方法。通過(guò)調(diào)控材料的結(jié)構(gòu)、制備方法、表面結(jié)構(gòu)、顆粒大小以及形貌等因素，獲得高活性及高結(jié)晶性PbO2微納正極材料、長(zhǎng)壽命納米多孔碳及鉛碳負(fù)極負(fù)極材料、新型聚陰離子型高功率納米正極材料、高安全性和長(zhǎng)壽命納米負(fù)極材料、膠態(tài)電解質(zhì)納米添加劑等，提升新型鉛酸電池和鋰離子電池的電化學(xué)性能。3）發(fā)展新型二次電池體系，探索新型鉛酸電池、鋰離子電池、電解液循環(huán)型鋰/鎂電池、鎂二次電池，基于水溶液電解質(zhì)和固體電解質(zhì)的新型二次電池原理與技術(shù)。與現(xiàn)有同類(lèi)電池相比，

4、循環(huán)壽命提高50%以上。以新型鋰離子電池為例，正極、負(fù)極材料的可逆充放電容量將由目前商品化的120-160 mAh/g和300 mAh/g均提高20%以上，電極循環(huán)壽命等得到全面提升。4）發(fā)展新型納米材料的測(cè)試表征方法。采用多種實(shí)驗(yàn)技術(shù)，有針對(duì)性地發(fā)展相應(yīng)的非原位或原位（在線(xiàn)）的表征分析技術(shù)，電化學(xué)反應(yīng)機(jī)制與診斷新技術(shù)，從微觀(guān)層次研究并指導(dǎo)納米電極材料表面/界面設(shè)計(jì)、調(diào)控及性能提升，探明電池失效機(jī)制并提出改進(jìn)對(duì)策。5）發(fā)展適合二次電池關(guān)鍵納米電極材料的低成本、規(guī)模化制備技術(shù)，以及由納米電極材料、功能性電解質(zhì)/電解液納米添加劑、多維微納電極結(jié)構(gòu)到成品電池的組裝技術(shù)。對(duì)于納米電極材料，達(dá)到1000

5、kg級(jí)的工業(yè)批量制備能力，同時(shí)對(duì)納米電極材料的安全性及生態(tài)環(huán)境影響進(jìn)行評(píng)估。6）針對(duì)智能電網(wǎng)中儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展，研制新型鉛酸電池和鋰離子電池。與現(xiàn)有同類(lèi)電池相比，循環(huán)壽命提高50%以上。優(yōu)化儲(chǔ)能系統(tǒng)，使系統(tǒng)使用壽命滿(mǎn)足要求，儲(chǔ)能用新型鉛酸電池和新型鋰離子電池的能量密度分別達(dá)到4050 Wh/kg和160200Wh/kg。建立智能電網(wǎng)中二次電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性能預(yù)測(cè)方法。綜合分析二次電池在其生命周期內(nèi)的儲(chǔ)能技術(shù)特性，包括二次電池體系及其關(guān)鍵材料在儲(chǔ)能電站工況環(huán)境下可能存在的問(wèn)題、失效機(jī)制及循環(huán)利用方式，電池性能一致性、電池系統(tǒng)集成和應(yīng)用技術(shù)等，探索影響其性能、壽命、可靠性的關(guān)鍵因素，建立相關(guān)材料設(shè)計(jì)

6、原理和能量綜合及系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)、管理控制和適應(yīng)環(huán)境的新模式和新方法。7） 形成系列具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型鋰/鎂二次電池體系及專(zhuān)利技術(shù)、發(fā)表系列高質(zhì)量有影響的研究論文。部分成果計(jì)劃在五年內(nèi)發(fā)表SCI論文200篇左右，申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利40-50項(xiàng)，努力爭(zhēng)取12項(xiàng)研究成果轉(zhuǎn)化。同時(shí)，加強(qiáng)優(yōu)秀中青年人才和創(chuàng)新團(tuán)對(duì)的培養(yǎng)，形成一支高水平、在國(guó)際上有影響、有競(jìng)爭(zhēng)力的創(chuàng)新型研究群體。三、研究方案（一）學(xué)術(shù)思路：本研究圍繞納米電極材料中離子、原子與分子擴(kuò)散遷移和電子傳輸及能量轉(zhuǎn)化機(jī)理、納米材料的表面、界面結(jié)構(gòu)優(yōu)化及多相、多尺度結(jié)構(gòu)與電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)調(diào)控、化學(xué)能/電能轉(zhuǎn)化與儲(chǔ)存的關(guān)鍵納米器件及系統(tǒng)多場(chǎng)耦

7、合的能量傳遞與控制三個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題而展開(kāi)，遵循新型高容量二次電池納米電極材料設(shè)計(jì)微納結(jié)構(gòu)分析和調(diào)制電化學(xué)性能優(yōu)化新型二次電池工程放大應(yīng)用基礎(chǔ)的研究主線(xiàn)，系統(tǒng)開(kāi)展納米材料和技術(shù)在智能電網(wǎng)儲(chǔ)能用二次電池中的基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)研究，研制出具有長(zhǎng)壽命、高功率、大容量、低成本、安全可靠、快速響應(yīng)等特點(diǎn)的高能二次電池材料及體系。整個(gè)項(xiàng)目以國(guó)家需求為導(dǎo)向，以納米電極材料可控制備為基礎(chǔ)，以納米電極結(jié)構(gòu)調(diào)控與電池性能優(yōu)化為主線(xiàn)，以鉛酸和鋰離子電池(組)在智能電網(wǎng)儲(chǔ)能中應(yīng)用為目標(biāo)。項(xiàng)目將分成四個(gè)課題開(kāi)展工作：二次電池關(guān)鍵材料微納化及性能提升規(guī)律；納米技術(shù)與新型Li/Mg二次電池；納米電極材料失效機(jī)理與安全性能；二次電

8、池納米材料規(guī)?；苽渑c智能電網(wǎng)儲(chǔ)能應(yīng)用。項(xiàng)目的組織實(shí)施將圍繞關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，注重基礎(chǔ)研究，發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)。各課題之間既相互聯(lián)系，又相互交叉，重視課題間前后銜接和團(tuán)隊(duì)攻關(guān)，構(gòu)成一個(gè)有機(jī)的整體。整個(gè)方案關(guān)聯(lián)圖示如下：科學(xué)問(wèn)題1科學(xué)問(wèn)題2科學(xué)問(wèn)題3課題二課題一課題三課題四（二）技術(shù)途徑：根據(jù)上述學(xué)術(shù)思想和擬開(kāi)展的主要研究?jī)?nèi)容，本項(xiàng)目將主要采取以下技術(shù)路線(xiàn)開(kāi)展研究工作，如圖所示：1、理論計(jì)算從智能電網(wǎng)對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)要求的科學(xué)基本原理出發(fā)，采用第一性原理和分子動(dòng)力學(xué)模擬等方法，設(shè)計(jì)高能量密度、低成本的新型二次電池納米材料。預(yù)測(cè)材料的穩(wěn)定性，電子電導(dǎo)率，以及氧化還原電位等熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)性能，避免實(shí)驗(yàn)的盲目性和重復(fù)

9、性。2、關(guān)鍵材料微納化合成通過(guò)等離子體、氣相蒸發(fā)轉(zhuǎn)移、固相合成、液相合成、水熱或溶劑熱、化學(xué)氣相沉積等物理和化學(xué)合成技術(shù)，發(fā)展高效的形貌控制合成方法。通過(guò)二次電池關(guān)鍵材料微納化，實(shí)現(xiàn)從小分子納米尺寸的有限多核分子聚集體、分子容器，到微納結(jié)構(gòu)器件的多相、多尺度結(jié)構(gòu)可控定向合成、制備和剪裁，達(dá)到電極材料的可控設(shè)計(jì)、合成。通過(guò)調(diào)控材料的結(jié)構(gòu)、制備方法、表面結(jié)構(gòu)、顆粒大小以及形貌等因素，提升電極材料的電化學(xué)性能。3、組織結(jié)構(gòu)分析運(yùn)用X射線(xiàn)/中子衍射、拉曼光譜、紅外光譜、核磁共振、電子顯微分析、高分辨透射電鏡(TEM)、失重-差熱-質(zhì)譜(TG-DSC-MS)等材料分析手段和電化學(xué)分析手段，有針對(duì)性地發(fā)展

10、相應(yīng)的非原位或原位（在線(xiàn)）的表征分析技術(shù)，從微觀(guān)層次研究離子/電子傳輸過(guò)程及其相互耦合的過(guò)程中，納米電極材料形貌和結(jié)構(gòu)的變化等因素，揭示電極表面/電解質(zhì)界面結(jié)構(gòu)與性能的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律，探明導(dǎo)致電池失效的機(jī)理，獲得二次電池關(guān)鍵材料微納化的性能提高規(guī)律，提出新型二次電池儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)的新途徑及相關(guān)理論。探討二次電池關(guān)鍵材料循環(huán)利用的方式。4、研究新型二次電池新體系探索新型鉛酸電池、鋰離子電池、電解液循環(huán)型鋰/鎂電池、鎂二次電池、基于水溶液電解質(zhì)和固體電解質(zhì)的新型二次電池原理與技術(shù)，系統(tǒng)研究電極材料嵌、脫鋰/鎂過(guò)程機(jī)理及界面動(dòng)力學(xué)行為，影響電池體系整體性能的關(guān)鍵因素，設(shè)計(jì)與制備高能量密度的正負(fù)極電極材

11、料和高離子導(dǎo)電性、寬電化學(xué)窗口、高熱穩(wěn)定性的新型電解質(zhì)，開(kāi)發(fā)具有可充放特性的新型二次電池新體系。5、二次電池關(guān)鍵納米材料的低成本、規(guī)?；苽浼訌?qiáng)二次電池納米材料的合成技術(shù)、表面改性技術(shù)及放大過(guò)程工藝的研究，發(fā)展高效、環(huán)境友好的先進(jìn)技術(shù)，有效控制納米材料結(jié)晶的形態(tài)、物相和粒度分布等技術(shù)指標(biāo)，促進(jìn)相關(guān)材料的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研究。同時(shí)，對(duì)納米技術(shù)的安全性能、生態(tài)環(huán)境影響進(jìn)行評(píng)估，為納米技術(shù)產(chǎn)品的安全應(yīng)用提供指導(dǎo)。6、二次電池的系統(tǒng)集成針對(duì)中新天津生態(tài)城智能電網(wǎng)城市綜合示范工程對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的需要，研究并構(gòu)建新型鉛酸和鋰離子二次電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，建立智能電網(wǎng)中儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性能預(yù)測(cè)方法，以及相關(guān)材料設(shè)計(jì)原理和能量綜

12、合及系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)、管理控制和適應(yīng)環(huán)境的新模式，為新能源利用示范及其推廣普及提供研究基礎(chǔ)。（三) 創(chuàng)新點(diǎn)與特色：1. 在材料制備方面，發(fā)展適合于智能電網(wǎng)中儲(chǔ)能材料設(shè)計(jì)的多尺度理論計(jì)算與分析模擬技術(shù)，選擇輕質(zhì)元素構(gòu)成電極材料體系，制備鋰離子電池新型聚陰離子型納米正極材料和高安全性、長(zhǎng)壽命多孔納米負(fù)極材料，提高現(xiàn)有鋰離子電池的安全性，并降低成本；制備高活性、高結(jié)晶的納米-PbO2正極材料和納米多孔鉛碳復(fù)合負(fù)極材料, 提高鉛酸電池的壽命及充放電效率。綜合運(yùn)用結(jié)構(gòu)調(diào)制、相復(fù)合、催化劑摻雜、納米組裝等技術(shù)調(diào)控材料成分與結(jié)構(gòu)，制備具有新組成、新結(jié)構(gòu)的高容量納米電極材料、低維結(jié)構(gòu)材料。2. 在新型電池設(shè)計(jì)方面

13、，注重多維微納電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及新型電池體系的開(kāi)發(fā)。探索新型鉛酸電池、鋰離子電池、電解液循環(huán)型鋰/鎂電池、鎂二次電池、基于水溶液電解質(zhì)和固體電解質(zhì)的新型二次電池原理與技術(shù)，系統(tǒng)研究電極材料嵌、脫鋰/鎂過(guò)程機(jī)理及界面動(dòng)力學(xué)行為，以及影響電池體系整體性能的關(guān)鍵因素。3. 在結(jié)構(gòu)表征方面，注重原位結(jié)構(gòu)與組成的變化研究，獲得儲(chǔ)能材料及相關(guān)體系的原位分析與診斷新方法。通過(guò)原位XRD、XAS、EXAFS、電化學(xué)阻抗譜(EIS)、原位掃描電鏡與透射電鏡、掃描隧道顯微鏡、原位拉曼、原位核磁共振、同步輻射和中子衍射等技術(shù)，研究充放電過(guò)程中材料的晶體結(jié)構(gòu)、價(jià)態(tài)、組成、局域結(jié)構(gòu)、表面結(jié)構(gòu)等變化，獲得在長(zhǎng)期循環(huán)過(guò)程中，

14、結(jié)構(gòu)演變對(duì)動(dòng)力學(xué)、穩(wěn)定性的影響規(guī)律，揭示電極表面/電解質(zhì)界面結(jié)構(gòu)與性能的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律，探明導(dǎo)致電池失效的機(jī)理，尋求提高新型二次電池性能的新途徑及相關(guān)理論。4. 在二次電池納米材料規(guī)?；苽浞矫?，注重高效、環(huán)境友好的先進(jìn)技術(shù)以及新化學(xué)反應(yīng)工藝與反應(yīng)器的開(kāi)發(fā)，有效控制納米材料結(jié)晶的形態(tài)、物相和粒度分布等技術(shù)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)新型鉛酸電池、鋰離子電池、鎂二次電池等關(guān)鍵納米材料的低成本、規(guī)?；苽洌龠M(jìn)相關(guān)材料的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。同時(shí)，對(duì)納米技術(shù)的安全性能、生態(tài)環(huán)境影響進(jìn)行評(píng)估，為納米技術(shù)產(chǎn)品的安全應(yīng)用提供指導(dǎo)。5. 在智能電網(wǎng)二次電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性方面，建立相關(guān)材料設(shè)計(jì)原理和能量綜合及系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)、管理控制和

15、適應(yīng)環(huán)境的新模式和新方法，驗(yàn)證儲(chǔ)能電池在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用實(shí)效。通過(guò)TG-DSC-MS、IR和電化學(xué)等技術(shù)，結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬，綜合分析二次電池體系及其關(guān)鍵材料在儲(chǔ)能電站工況環(huán)境下可能存在的問(wèn)題、失效機(jī)制及循環(huán)利用方式，探索影響二次電池安全性、壽命、可靠性等性能的關(guān)鍵因素。(四）可行性分析：本項(xiàng)目的學(xué)術(shù)思想和研究?jī)?nèi)容是在全面深入分析納米材料與技術(shù)在二次電池研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，準(zhǔn)確把握智能電網(wǎng)中儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)二次電池需求的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，充分考慮我國(guó)納米材料與技術(shù)在電池研究中的工作特色，結(jié)合項(xiàng)目組的工作基礎(chǔ)而凝練出來(lái)的。前期研究工作的積累給本項(xiàng)目的實(shí)施打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，項(xiàng)目組成員包括國(guó)內(nèi)外該領(lǐng)域具有重要影響的

16、知名院士和中青年學(xué)術(shù)骨干，長(zhǎng)期從事納米電極材料與高能電池的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，在納米電極材料的制備合成、結(jié)構(gòu)表征、電化學(xué)性能測(cè)試及機(jī)理分析等方面具有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)和從事學(xué)科交叉課題研究的豐富工作經(jīng)驗(yàn)，擁有廣泛的國(guó)際合作研究經(jīng)歷，并建立了許多長(zhǎng)期穩(wěn)定的國(guó)際交流與合作研究伙伴。本項(xiàng)目擬采用的材料制備、結(jié)構(gòu)分析和性能表征等方法在新型二次電池納米材料體系的前期研究中已經(jīng)被證明有效、可行，提出的整體研究方案可行性強(qiáng)。此外，項(xiàng)目組通過(guò)8個(gè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和工程技術(shù)研究中心、11個(gè)部（?。┲攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和工程研究中心、多個(gè)國(guó)家一級(jí)重點(diǎn)學(xué)科的密切聯(lián)系合作，以及充分利用我國(guó)迄今為止最大的大科學(xué)裝置和大科學(xué)平臺(tái)中能第三代同步

17、輻射光源，可以保證本項(xiàng)目按照既定目標(biāo)完成任務(wù)。（五） 課題設(shè)置本項(xiàng)目針對(duì)智能電網(wǎng)對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的需求，發(fā)展發(fā)展與其密切相關(guān)的新型納米電極材料和二次電池，圍繞納米電極材料中離子、原子與分子擴(kuò)散遷移和電子傳輸及能量轉(zhuǎn)化機(jī)理、納米材料的表面、界面結(jié)構(gòu)優(yōu)化及多相、多尺度結(jié)構(gòu)與電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)調(diào)控、化學(xué)能/電能轉(zhuǎn)化與儲(chǔ)存的關(guān)鍵納米器件及系統(tǒng)多場(chǎng)耦合的能量傳遞與控制三個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，設(shè)置四個(gè)相互關(guān)聯(lián)的研究課題。具體課題設(shè)置如下：課題一、二次電池關(guān)鍵材料微納化及性能提升規(guī)律課題二、納米技術(shù)與新型Li/Mg二次電池課題三、納米電極材料失效機(jī)理與安全性能課題四、二次電池納米材料規(guī)模化制備與智能電網(wǎng)儲(chǔ)能

18、應(yīng)用其中，課題一是設(shè)計(jì)新型高容量鉛酸電池和鋰離子電池納米電極材料的基礎(chǔ)；課題二致力于研發(fā)自主創(chuàng)新的新型高容量二次電池材料和體系；課題三側(cè)重于基礎(chǔ)理論與安全性能；課題四著重于二次電池納米材料規(guī)模化制備及儲(chǔ)能電池在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用基礎(chǔ)，考察納米電極材料和新型二次電池在實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題。圍繞三個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，四個(gè)課題既有一定獨(dú)立性，又相互關(guān)聯(lián)，互為交叉。四、年度計(jì)劃研究?jī)?nèi)容預(yù)期目標(biāo)第一年對(duì)已規(guī)?；a(chǎn)的鉛酸電池、鋰離子電池關(guān)鍵材料進(jìn)行微納化處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)橄欖石型LiFePO4、尖晶石型LiMn2-xMxO4（M: 摻雜金屬離子）、層型LiCoO2等粉體的粒徑大小與分布、微結(jié)構(gòu)形態(tài)的控制，發(fā)展相關(guān)制

19、備技術(shù)和攙雜工藝，提高材料填充密度，研究電池材料微納化和攙雜的性能提升規(guī)律。通過(guò)改進(jìn)正負(fù)極材料、結(jié)構(gòu)、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑、隔膜、電解質(zhì)等，構(gòu)造多維納米結(jié)構(gòu)鋰離子電池。應(yīng)用電化學(xué)測(cè)試技術(shù)結(jié)合一些原位光學(xué)、譜學(xué)測(cè)試技術(shù)，研究充放電過(guò)程中材料的晶體結(jié)構(gòu)、價(jià)態(tài)、局域結(jié)構(gòu)、表面結(jié)構(gòu)，獲得結(jié)構(gòu)演變的信息。設(shè)計(jì)合成高性能的正極活性材料，并在性能改性上取得突破，降低材料的生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的批次間穩(wěn)定性，進(jìn)行中試試驗(yàn)。探索采用納米材料制備大容量鋰離子電池、新型鉛酸電池多維電極結(jié)構(gòu)的工藝條件。通過(guò)新型鉛酸、鋰離子二次電池關(guān)鍵材料微納化的研究，使該類(lèi)電池性能達(dá)到新水平，如對(duì)鋰離子電池正極材料的可逆充放電容量由目前商品

20、化的120-160 mAh/g提高20%。發(fā)展1-2種多維納米結(jié)構(gòu)鋰離子電池的構(gòu)造方法，延長(zhǎng)鋰離子電池的使用壽命，提高安全性能。揭示離子輸運(yùn)、電子傳導(dǎo)及能量傳輸?shù)臋C(jī)理，循環(huán)性能（電池失效）和材料結(jié)構(gòu)的關(guān)系，為新型高性能儲(chǔ)能材料的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供理論依據(jù)。加強(qiáng)二次電池納米材料（正負(fù)極電極材料，電解液添加劑）的合成技術(shù)、改性技術(shù)及規(guī)模化制備放大過(guò)程工藝的研究；發(fā)展高效、環(huán)境友好的先進(jìn)技術(shù)。發(fā)表高質(zhì)量研究論文40-50篇，申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利8-10項(xiàng)。第二年以新型無(wú)機(jī)聚陰離子正極材料、含碳族元素（C、Si、Ge、Sn）單質(zhì)或團(tuán)簇新結(jié)構(gòu)及其復(fù)合負(fù)極微納材料為重點(diǎn)，系統(tǒng)研究新型微納材料體系的組成、結(jié)構(gòu)、功能化、電

21、化學(xué)性能、電學(xué)性質(zhì)，探索結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系。結(jié)合硫、磷的物理化學(xué)性質(zhì)和原位合成技術(shù)，通過(guò)選用不同碳基導(dǎo)電材料和調(diào)控納米硫、磷的粒徑、形貌、取向、晶相等，設(shè)計(jì)并制備具有不同納米結(jié)構(gòu)和界面結(jié)構(gòu)的“負(fù)載型”和“接枝型”磷(硫)-碳基復(fù)合材料。根據(jù)儲(chǔ)能電池的要求，應(yīng)用理論計(jì)算和模擬設(shè)計(jì)一系列具有新結(jié)構(gòu)、新組成的納米電極材料和納米修飾電極材料。探索通用和高效的可控合成方法，優(yōu)化規(guī)?；苽涔に嚕a(chǎn)出特定形貌和物相的功能納米產(chǎn)品，有效避免團(tuán)聚問(wèn)題。發(fā)展由納米電極材料、功能性電解質(zhì)/電解液納米添加劑和多維微納電極結(jié)構(gòu)組裝成大容量鋰離子電池、新型鉛酸電池的新原理、新方法和新工藝。發(fā)展鋰離子電池的新材料體系，負(fù)極

22、材料的可逆充放電容量由目前商品化的300 mAh/g 提高20%。設(shè)計(jì)和調(diào)控磷(硫)-碳基異質(zhì)納米結(jié)構(gòu)復(fù)合材料。建立硫、磷升華-沉積動(dòng)力學(xué)，探討沉積條件對(duì)硫、磷納米顆粒結(jié)構(gòu)及形貌的影響，納米復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)和界面結(jié)構(gòu)對(duì)電化學(xué)性能的影響，深入認(rèn)識(shí)固體電化學(xué)反應(yīng)規(guī)律。實(shí)現(xiàn)對(duì)電極材料的成分、結(jié)構(gòu)、形態(tài)的有效控制。研究電極的電化學(xué)性能，揭示電極材料的性能與材料的本體結(jié)構(gòu)和材料形貌之間的關(guān)系。 完成12種二次電池納米材料的規(guī)?；苽洌缯龢O材料LiFePO4 的10 公斤/批次的中試試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)合成的材料一致性和均一性，有效控制納米材料結(jié)晶的形態(tài)、物相和粒度分布等技術(shù)指標(biāo)。發(fā)表高質(zhì)量研究論文50-60篇，

23、申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利10-15項(xiàng)。第三年利用納米技術(shù)對(duì)鉛酸蓄電池的電極材料進(jìn)行改性，獲得高活性及高結(jié)晶性PbO2微納正極材料、長(zhǎng)壽命納米多孔碳及鉛碳復(fù)合負(fù)極材料、膠態(tài)電解質(zhì)納米添加劑，改善鉛酸電池部分荷電狀態(tài)的循環(huán)性能，延長(zhǎng)電池的使用壽命。探索新型可充式鋰/鎂空氣電池中高效、廉價(jià)、環(huán)保的新型氧還原納米催化材料的制備方法，優(yōu)化電極氣-液-固三相界面，設(shè)計(jì)多層空氣電極結(jié)構(gòu)，發(fā)展基于納米材料或微納結(jié)構(gòu)的高效空氣電極。研究充放電過(guò)程中的材料本體結(jié)構(gòu)和組成、材料幾何形貌和電解液的組成，材料表面SEI的組成與電化學(xué)穩(wěn)定性，包括循環(huán)特性、顆粒電導(dǎo)率和安全性等之間的關(guān)系。突破二次電池關(guān)鍵納米材料的低成本、規(guī)?；a(chǎn)中

24、的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，開(kāi)展納米技術(shù)的安全性、生態(tài)環(huán)境影響評(píng)價(jià)研究。對(duì)傳統(tǒng)鉛酸電池的正負(fù)極材料進(jìn)行微納化技術(shù)處理，使其容量提高15%，電池循環(huán)壽命顯著增加。設(shè)計(jì)具有新結(jié)構(gòu)、新組成的可充式鋰/鎂空氣電極催化劑材料。探索這些新催化劑的合成方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料的成分、結(jié)構(gòu)、形態(tài)的有效控制。掌握納米電極材料的性能衰退和安全機(jī)制及其影響因素，為發(fā)展新型高安全性?xún)?chǔ)能材料體系的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。二次電池關(guān)鍵納米材料達(dá)到1000 kg級(jí)的工業(yè)批量制備能力，為納米技術(shù)產(chǎn)品的安全應(yīng)用提供指導(dǎo)。發(fā)表高質(zhì)量研究論文40-50篇，申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利10-12項(xiàng)。第四年發(fā)展基于鉛酸電池和鋰離子電池的新型儲(chǔ)能電池系統(tǒng)。設(shè)計(jì)新型可充

25、式鋰/鎂空氣電池，探索影響可充式鋰/鎂空氣電池性能的關(guān)鍵因素。針對(duì)納米電極材料的存在缺陷，通過(guò)對(duì)電極材料表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾、調(diào)控（包覆、梯度結(jié)構(gòu)材料等），獲得電極/電解液界面穩(wěn)定的理想電極。對(duì)大容量合金負(fù)極材料，研究制備不同幾何形貌結(jié)構(gòu)電極材料（納米點(diǎn)、空心球、納米線(xiàn)、納米管、核殼結(jié)構(gòu)、薄膜、三維網(wǎng)狀電極）及復(fù)合電極，提高納米材料的電化學(xué)性能。研究高安全性液體電解質(zhì)的功能性添加劑，高電導(dǎo)率，難燃性或不燃性的電解液體系，延長(zhǎng)蓄電系統(tǒng)的使用壽命和降低蓄電站的危險(xiǎn)程度。在二次電池納米材料規(guī)?；苽浠A(chǔ)上，開(kāi)展儲(chǔ)能用新型新型鉛酸電池和鋰離子電池組的組裝及性能測(cè)試工作。結(jié)合已有的電解液添加劑產(chǎn)業(yè)化，完成成

26、品電池的匹配、加工及組裝。提高電池的充電接受能力、環(huán)境適應(yīng)能力和維護(hù)性能。揭示氣體氣氛、電極組成和結(jié)構(gòu)、電解液粘度、離子濃度等參數(shù)與電池電化學(xué)性能之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，研制具有可充放特性的鋰/鎂空氣模型電池。探索和發(fā)展抑制電極材料失效、提高關(guān)鍵材料循環(huán)利用的技術(shù)手段，提高納米電極材料在二次電池中的利用效率。采用串聯(lián)、并聯(lián)等方式組裝成多種規(guī)格的大容量鋰離子電池、新型鉛酸電池電池組，優(yōu)化單體電池間的連接方式及電池組結(jié)構(gòu)。儲(chǔ)能用新型鉛酸電池能量達(dá)到4050 Wh/kg，新型鋰離子電池的能量密度達(dá)到160200 Wh/kg，大幅度提升該系列儲(chǔ)能電池的使用壽命、安全性、可靠性及快速響應(yīng)等性能。發(fā)表高質(zhì)量研究論

27、文40-50篇，申請(qǐng)發(fā)明專(zhuān)利8-10項(xiàng)。第五年探索水溶液體系鋰二次電池研究，系統(tǒng)研究水體系鋰離子擴(kuò)散、遷移及反應(yīng)過(guò)程中涉及的物理化學(xué)問(wèn)題，探索影響電池體系整體性能的關(guān)鍵因素。探索新型鎂電池充放電過(guò)程中鎂溶解、沉積機(jī)理以及鎂離子在固相和電解液中的脫嵌和遷移規(guī)律。結(jié)合中新天津生態(tài)城智能電網(wǎng)綜合示范工程，優(yōu)化儲(chǔ)能系統(tǒng)，在電池組內(nèi)裝配電源管理模塊，測(cè)試電池組在模擬工況條件下的充/放電容量、循環(huán)壽命、溫度特性等性能，實(shí)現(xiàn)在智能電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)中的應(yīng)用?？疾飙h(huán)境條件，如工作溫度、電壓、電流以及濕度等對(duì)電池循環(huán)性能和安全性的影響。綜合分析新型二次電池在其生命周期內(nèi)的儲(chǔ)能技術(shù)特性，揭示影響其性能、壽命、可靠性的關(guān)鍵因素。獲得1-3類(lèi)適合水溶液電解液體系的納米電極材料，提高水體系鋰二次電池的可充電性。開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的水系鋰二次電池的高性能電解液體系。開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新型儲(chǔ)鎂材料和高性能電解液體系。智能電網(wǎng)用儲(chǔ)能電池使用壽命符合要求，解決電池組在使用的一致性問(wèn)題及其檢測(cè)技術(shù)，智能電網(wǎng)使用中所涉及的影響儲(chǔ)能電池組的安全及可靠性等關(guān)鍵技術(shù)因素。收集內(nèi)阻、電池開(kāi)路電壓等相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)模型參數(shù)的調(diào)整，建立預(yù)測(cè)電池循環(huán)性能和安全性的方法，以及能量綜合及系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)、管理控制和適應(yīng)環(huán)境系統(tǒng)。發(fā)表高質(zhì)量研究論文30-40