基本信息
- 項目名稱：
- 介孔磷酸釩鋰/碳復(fù)合快離子導體材料的生物合成機理與應(yīng)用研究
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 自然科學類學術(shù)論文
- 簡介：
- 介孔磷酸釩鋰/碳復(fù)合快離子導體材料是應(yīng)用于鋰離子電池的正極材料，它是以微生物法合成，其可以克服普通磷酸釩鋰晶體材料離子導電率低，容量小，大電流充放電性能差等不足，具有能量密度高、環(huán)境友好、安全性好和循環(huán)壽命長的特點，可成為大型鋰離子動力電池首選正極材料。
- 詳細介紹：
- 本研究是將微生物學和材料學有機結(jié)合，通過學科交叉，從理論上和技術(shù)上探索提高材料性能的新途徑。提出“金屬離子誘導基因調(diào)控介孔微球結(jié)構(gòu)形成”的思路，以微生物酵母細胞為自組裝結(jié)構(gòu)模板，采用微生物催化合成新技術(shù)，從分子水平上控制Li3V2(PO4)3納米顆粒的沉積礦化，利用酵母細胞中嚴密的基因識別調(diào)控功能及特異的排序功能將Li3V2(PO4)3納米顆粒組裝成介孔微球結(jié)構(gòu)，通過原位復(fù)合碳化和晶化熱處理技術(shù)，合成具有介孔微球結(jié)構(gòu)的高性能磷酸釩鋰/碳（Li3V2(PO4)3/C）原位復(fù)合粉體材料。 利用微生物代謝原理研究介孔微球結(jié)構(gòu)的形成與調(diào)控機理；通過研究介孔微球結(jié)構(gòu)及晶體結(jié)構(gòu)和原位復(fù)合結(jié)構(gòu)與電化學性能之間的關(guān)系，揭示Li3V2(PO4)3/C原位復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)、組成對鋰離子傳導/嵌脫性能、電導率和能量密度的調(diào)控規(guī)律。本研究對鋰離子電池材料的理論研究和大容量高功率鋰離子動力電池的應(yīng)用具有重要的理論價值和實際意義。
作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 通過研究介孔微球結(jié)構(gòu)及晶體結(jié)構(gòu)和原位復(fù)合結(jié)構(gòu)與電化學性能之間的關(guān)系，揭示磷酸釩鋰/碳原位復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)、組成對鋰離子傳導/嵌脫性能、電導率和能量密度的調(diào)控規(guī)律。 提出“金屬離子誘導基因調(diào)控介孔微球結(jié)構(gòu)形成”的思路，以酵母細胞為自組裝結(jié)構(gòu)模板，采用微生物催化合成新技術(shù)，從分子水平上控制磷酸釩鋰納米顆粒的沉積礦化，利用酵母細胞中基因識別調(diào)控功能及排序功能將磷酸釩鋰納米顆粒組裝成介孔微球結(jié)構(gòu)。
科學性、先進性及獨特之處
- 利用金屬離子在細胞壁上的靜電匹配、誘導基因和酶催化作用，建立生物礦化過程的基因調(diào)控方法，組裝介孔微球結(jié)構(gòu)新思路。 以酵母細胞為自組裝結(jié)構(gòu)模板，從分子水平上控制磷酸釩鋰納米顆粒的沉積礦化，利用酵母細胞中基因識別調(diào)控功能及排序功能將磷酸釩鋰納米顆粒組裝成介孔微球結(jié)構(gòu)。 采用原位摻入導電劑技術(shù)，通過酵母細胞碳化和晶化熱處理，合成高性能介孔微球磷酸釩鋰/碳粉體材料，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)和電化學性能的精確調(diào)控。
應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義
- 磷酸釩鋰/碳復(fù)合快離子導體具有能量密度高、環(huán)境友好、安全性好和循環(huán)壽命長的特點，可成為鋰離子電池首選正極材料，將促進各種電子產(chǎn)品和電動汽車的研究、生產(chǎn)和應(yīng)用，緩解汽車對石油能源的依賴和對環(huán)境的污染。 微生物催化仿生合成磷酸釩鋰/碳復(fù)合材料可實現(xiàn)從分子水平上對納米結(jié)構(gòu)的精確控制和組裝，且廉價、結(jié)構(gòu)和組成重復(fù)性好，可批量合成，產(chǎn)率高，反應(yīng)條件溫和，工藝簡單，無污染，耗能低，易產(chǎn)業(yè)化。
學術(shù)論文摘要
- 以酵母為模板，V2O5、NH4H2(PO4)3、Li2CO3和草酸為原料，采用生物法和溶膠—凝膠法相結(jié)合制備了鋰離子電池正極介孔Li3V2(PO4)3/C復(fù)合材料。通過X射線衍射（XRD）、掃描電鏡（SEM）、透射電鏡（TEM）、電子能譜（EDX）、差熱—熱重分析（TG-DTA）和氮氣吸脫附對產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和形貌進行表征，采用橫流充放電考察了產(chǎn)物的電化學性能。結(jié)果表明，以2g酵母為模板合成的Li3V2(PO4)3/C復(fù)合材料為介孔材料，且存在開口和閉口兩種結(jié)構(gòu)的孔；所得的樣品為純相單斜Li3V2(PO4)3，顆粒大小均一，分散性好，電子傳導率達到6.5×10-3 S/cm；在3.0—4.5V電壓范圍內(nèi)以0.2C倍率充放電，首次放電容量達到112mAh/g；在3.0—4.8V電壓范圍內(nèi)以0.5C倍率充放電，放電容量達到120mAh/g，且具有良好的循環(huán)性能。另外還對生物法合成磷酸釩鋰進行了機理初探與應(yīng)用研究。
獲獎情況
- 無
鑒定結(jié)果
- 推薦作品
參考文獻
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同類課題研究水平概述
- 磷酸鐵鋰（LiFePO4）晶體材料被譽為是第三代里離子電極正極。但由于晶體結(jié)構(gòu)中沒有連續(xù)的鋰離子通道和八面體網(wǎng)絡(luò)，Li+擴散速率低（僅為10-9—10-10S/cm），導致LiFePO4容量較低和大電流放電性能較差。近年來，陳立泉等院士在鋰離子快離子導體研究中取得了創(chuàng)新成果，研制出了室溫離子電導率高的鋰離子導體材料La1-xLixTiO3。目前，把介孔孔道作為Li+的存儲介質(zhì)，提高離子傳導性已成為鋰離子電池正極材料研究的熱點。國外Yamada等合成了一種玻璃態(tài)的TiO2?2P2O5介孔材料，160℃的電導率為2×10-2S/cm，這是介孔材料質(zhì)子導電的重大突破。介孔結(jié)構(gòu)的快離子導體材料其抗大電流充放電能力強、使用安全、致密穩(wěn)定、成本低，適宜制備鋰離子動力電池正極材料。但目前國內(nèi)外在本領(lǐng)域的研究均無實質(zhì)性突破，離應(yīng)用差距較大。 現(xiàn)今利用生物組織或大分子合成無機材料已經(jīng)成為一個新研究熱點。但有關(guān)利用細胞中代謝能的原位貯藏轉(zhuǎn)化和代謝網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及其功能的精確調(diào)控復(fù)制沒有文獻報道，本研究首次提出以酵母細胞為催化模板反應(yīng)器，用磷酸鹽調(diào)控復(fù)制酵母細胞本身特有的代謝能網(wǎng)絡(luò)介孔結(jié)構(gòu)來改善鋰離子傳導性能的設(shè)想，研制出具有良好性能的鋰離子電池正極材料，提高鋰離子電池的性能，促進新能源推廣應(yīng)用。
