【精品】纳米材料与技术在智能电网储能用二次电池中应用基础研究

项目名称：纳米材料与技术在智能电网储能用二次电池中应用基础研究

首席科学家：陈军南开大学

起止年限：2010.9至2015。9

依托部门：教育部天津市科委

二、预期目标

(一）总体目标：

在纳米电极材料的设计理论、制备技术、表征方法以及电极反应机理等基础理论方面取得重要突破。通过研究纳米电极材料的组成、微结构、表面/界面性质等对其电化学性能的影响规律，揭示纳米结构中电极反应机理，离子输运、电子传导及能量传输的新规律及其演化过程，考察纳米材料在二次电池应用中的失效机理与安全性能。实现关键纳米材料的高效、低成本合成制备，达到1000kg级的工业批量制备能力。针对智能电网中储能技术发展，研制新型铅酸电池和锂离子电池，与现有同类电池相比,循环寿命提高50％以上。优化储能系统，使系统使用寿命满足要求，储能用新型新型铅酸电池能量密度达到40～50Wh/kg，新型锂离子电池能量密度达到160~200Wh/kg,为新能源利用提供研究基础。同时，利用源头创新，获得具有自主知识产权的新型二次电池纳米材料与技术，创建新型二次电池纳米材料研究创新团队与国际合作科研平台,促进我国智能电网与可再生能源的发展。

（二）五年预期目标:

在项目实施的5年内，预期取得如下目标:

1)通过材料计算与模拟,结合凝聚态物理、量子化学、统计力学和分子动力学等知识，从分子水平设计智能电网储能系统所需新型纳米电极和电解质材料，

预测材料的稳定性，电子电导率，以及氧化还原电位等热力学和动力学性能,研究出具有高稳定性、高离子/电子输运能力的三维电极的设计方法，

指导二次电池关键材料微纳化合成及可控生长。

2)发展高效的形貌控制合成方法。通过调控材料的结构、制备方法、表面

微纳正极材料、结构、颗粒大小以及形貌等因素，获得高活性及高结晶性PbO

2

长寿命纳米多孔碳及铅碳负极负极材料、新型聚阴离子型高功率纳米正极材料、高安全性和长寿命纳米负极材料、胶态电解质纳米添加剂等，提升新型铅酸电池和锂离子电池的电化学性能。

3)发展新型二次电池体系,探索新型铅酸电池、锂离子电池、电解液循环型锂/镁电池、镁二次电池，基于水溶液电解质和固体电解质的新型二次电池原理与技术。与现有同类电池相比,循环寿命提高50％以上。以新型锂离子电池为例，正极、负极材料的可逆充放电容量将由目前商品化的120-160mAh/g和300mAh/g 均提高20％以上，电极循环寿命等得到全面提升。

4）发展新型纳米材料的测试表征方法。采用多种实验技术，有针对性地发展相应的非原位或原位（在线）的表征分析技术，电化学反应机制与诊断新技术,从微观层次研究并指导纳米电极材料表面/界面设计、调控及性能提升，探明电池失效机制并提出改进对策.

5）发展适合二次电池关键纳米电极材料的低成本、规模化制备技术，以及由纳米电极材料、功能性电解质/电解液纳米添加剂、多维微纳电极结构到成品电池的组装技术.对于纳米电极材料，达到1000kg级的工业批量制备能力，同时对纳米电极材料的安全性及生态环境影响进行评估。

6）针对智能电网中储能技术发展，研制新型铅酸电池和锂离子电池。与现有同类电池相比，循环寿命提高50%以上。

优化储能系统，使系统使用寿命满足要求，储能用新型铅酸电池和新型锂离子电池的能量密度分别达到40～50Wh/kg和160～200Wh/kg。建立智能电网中二次电池储能系统的安全性能预测方法。综合分析二次电池在其生命周期内的储能技术特性，包括二次电池体系及其关键材料在储能电站工况环境下可能存在的问题、失效机制及循环利用方式，电池性能一致性、电池系统集成和应用技术等，探索影响其性能、寿命、可靠性的关键因素，建立相关材料设计原理和能量综合及系统性能评价、管理控制和适应环境的新模式和新方法.

7）形成系列具有自主知识产权的新型锂/镁二次电池体系及专利技术、发表系列高质量有影响的研究论文。部分成果计划在五年内发表SCI论文200篇左右，申请发明专利40-50项，努力争取1~2项研究成果转化。同时，加强优秀中青年人才和创新团对的培养，形成一支高水平、在国际上有影响、有竞争力的创新型研究群体.

三、研究方案

（一）学术思路:

本研究围绕纳米电极材料中离子、原子与分子扩散迁移和电子传输及能量转化机理、纳米材料的表面、界面结构优化及多相、多尺度结构与电化学反应过程的热力学和动力学调控、化学能/电能转化与储存的关键纳米器件及系统多场耦合的能量传递与控制三个关键科学问题而展开，遵循新型高容量二次电池纳米电极材料设计→微纳结构分析和调制→电化学性能优化→新型二次电池→工程放大应用基础的研究主线，系统开展纳米材料和技术在智能电网储能用二次电池中的基础和应用基础研究，研制出具有长寿命、高功率、大容量、低成本、安全可靠、快速响应等特点的高能二次电池材料及体系。

整个项目以国家需求为导向，以纳米电极材料可控制备为基础，以纳米电极结构调控与电池性能优化为主线，以铅酸和锂离子电池(组）在智能电网储能中应用为目标。项目将分成四个课题开展工作：

1.二次电池关键材料微纳化及性能提升规律；

2.纳米技术与新型Li/Mg二次电池；

3.纳米电极材料失效机理与安全性能；

4.二次电池纳米材料规模化制备与智能电网储能应用。

项目的组织实施将围绕关键科学问题，注重基础研究，发展关键技术。各课题之间既相互联系,又相互交叉,重视课题间前后衔接和团队攻关，

构成一个有机的整体。整个方案关联图示如下：

（二)技术途径:

根据上述学术思想和拟开展的主要研究内容,本项目将主要采取以下技术路线开展研究工作，如图所示:

1、理论计算

科学问题1 科学问题2 科学问题3

课题二

课题一

课题三课题四

从智能电网对储能技术要求的科学基本原理出发，采用第一性原理和分子动力学模拟等方法，设计高能量密度、低成本的新型二次电池纳米材料.预测材料的稳定性，电子电导率，以及氧化还原电位等热力学和动力学性能，避免实验的盲目性和重复性。

2、关键材料微纳化合成

通过等离子体、气相蒸发转移、固相合成、液相合成、水热或溶剂热、化学气相沉积等物理和化学合成技术，发展高效的形貌控制合成方法。通过二次电池关键材料微纳化，实现从小分子纳米尺寸的有限多核分子聚集体、分子容器，到微纳结构器件的多相、多尺度结构可控定向合成、制备和剪裁,达到电极材料的可控设计、合成.通过调控材料的结构、制备方法、表面结构、颗粒大小以及形貌等因素，提升电极材料的电化学性能。

3、组织结构分析

运用X射线/中子衍射、拉曼光谱、红外光谱、核磁共振、电子显微分析、高分辨透射电镜（TEM)、失重—差热-质谱(TG-DSC—MS）等材料分析手段和电化学分析手段,有针对性地发展相应的非原位或原位（在线）的表征分析技术,从微观层次研究离子/电子传输过程及其相互耦合的过程中，纳米电极材料形貌和结构的变化等因素,揭示电极表面/电解质界面结构与性能的内在联系和规律，探明导致电池失效的机理，获得二次电池关键材料微纳化的性能提高规律，提出新型二次电池储能系统设计的新途径及相关理论。探讨二次电池关键材料循环利用的方式.

4、研究新型二次电池新体系