电化学储能

PI: 利昂·肖 (MMAE)

在过去的二十年里，锂离子电池(LIBs)由于其高输出电压而彻底改变了便携式电子设备, 高比能, 循环寿命长, 没有记忆效应. 然而, 进一步改进其性能, 例如将充电时间从几小时缩短到几分钟，将电池使用时间从一天延长到几天, 能否使电动汽车广泛渗透市场，并开拓新的应用. 我们小组研究的领域之一是具有高比容量的新型阳极的分层设计和合成, 高功率, 为下一代锂电池和钠离子电池提供了更长的充放电循环寿命. 对于LIB应用程序, 我们一直专注于硅阳极与纳米级硅结构块的结合特性, 一种导电外壳制造技术, 以及设计空隙空间(表示为Si@void@C微反应器)，在高比容量方面取得突破, 高功率, 同时为下一代lib提供更长的循环寿命. 对于钠离子电池，我们的重点是磷(P)阳极与工程纳米结构. 两种阳极都取得了重大进展, 特别是对于硅阳极，它可以在3到6分钟内以8 A/g的电流密度充电到满容量,000循环的稳定性，仍然表现出两到三倍的石墨阳极，需要大约4小时充满约330毫安时/克的容量.

PI: Sohail Murad (ChBE)

缺乏经济高效的储能设备是阻碍可再生太阳能和风能广泛利用的主要障碍之一. 氧化还原液流电池(RFB)因其优异的安全性而成为一种有吸引力的选择, 高容量, 效率高, 模块化, and small environmental footprint; however, 在目前的发展状态下, 由于离子交换膜(IEM)的效率低下，它在商业上不可行。, 决定其成本效益的关键因素是什么, 能源效率, 电池寿命. rfb的IEMs的研究和开发工作主要集中在聚合物基材料上. 这些材料有根本的缺陷, 与它们的聚合性有关, related to ion crossover and chemical instability in high concentration electrolyte solutions of RFBs; therefore, 需要用新材料制造替代的集成电路. 本项目的目标是探索纳米多孔沸石薄膜作为一种新型的高效耐用的rfb IEMs. 一个关键的目标是了解沸石膜中质子传导和场驱动离子传输的机制. 本文主要研究了Fe/Cr RFB和全钒RFB两种RFB系统的硅质mfi型沸石膜. 具体目标包括:合成不同厚度的MFI沸石膜, 取向, and framework composition and investigating the effects of these structural and chemical properties on the membrane performance in RFBs; experimentally studying the transport properties for proton and relevant metal ions with and without applied electric fields; and performing molecular simulations of the electrical-field-driven and chemical-potential-gradient-driven ion transport processes.

π: 卡Nemeth (物理) 利昂·肖 (MMAE)

二维材料, 例如功能化(化学表面改性)石墨烯或六方氮化硼(h-BN)为同时实现高功率和高能量密度提供了良好的平台. 这已经在使用氧化石墨烯(GO)正极材料与Li和Na阳极结合的文献中得到了证明. 不幸的是, 氧化石墨烯是一种爆炸性物质, 大规模的工业生产既危险又困难. 这促使我们用更安全、更稳定的FBN-s取代氧化石墨烯. 我们的理论努力探讨了稳定FBN阴极的可能功能化, 而我们的实验工作旨在合成和测试选定的候选FBN-s. 此外，FBN-s也可能是三维晶体，如Li3BN2. 我们已经通过实验和光谱测量证明，Li3BN2是一种插层阴极材料，每个公式单位可以提取和插层两个锂离子, 而晶体的体积变化可以忽略不计. 基于-2的使用，这种无过渡金属的锂离子插入阴极可以提供接近900毫安时/克的比容量, -2.5和-3个带电荷的氮离子. 这个实验证明了近900毫安时/克的比容量是有史以来报道的最大的插入阴极. 为了充分探索FBN-s及相关材料领域，还需要进一步的研究.

PI: 卡罗塞格雷 (物理)

锡基阳极材料具有很高的初始容量，但由于转换为金属锡和随后与锂合金的高体积膨胀而导致的电连通性损失而迅速褪色. 在过去的六年里，我们一直在使用原位x射线吸收光谱研究锡基材料的降解机制. 作为这项长期研究的一部分, 我们开发了Sn-Li合金的第一个详细结构模型，可以使用扩展x射线吸收精细结构(EXAFS)定量测量锂化程度。. 我们发现几乎所有的锡基材料在与石墨制备纳米复合材料时都表现出更高的可循环性. 最近, 我们发表了一项Sn4P3/石墨复合阳极材料的研究，该材料具有卓越的容量和循环性能(100次循环后651 mAh g-1)。. 详细的EXAFS建模和对局部环境变化的详细分析与电池容量相关，揭示了锂化/去硫过程的机制. 在前两个锂化/去硫循环中结晶, Sn4P3完全转化为非晶SnPx相, 哪个在进一步的循环中参与可逆转化和合金化反应. 这种材料优越的可逆性归因于石墨基体中高度分散的SnPx, 它提供了增强的导电性，并防止在锂化/去硫过程中锡团簇的聚集. 在长期循环过程中，容量逐渐衰减的原因是观察到金属锡团簇的尺寸和数量的增加, 与SnPx相的恢复减少相关. 我们已经将这些结果应用于其他锡基材料, 它们在可循环性方面也有显著改善.

PI: 利昂·肖 (MMAE)

钠离子电池可以在可再生能源的广泛集成中发挥关键作用, 让美国人负担得起清洁能源，让技术更环保、更节能. 电网规模储能的一个关键问题是储能装置的长充放电循环寿命. 本项目旨在通过研究室温下高能球磨诱导的机械活化如何改变NaCrO2晶体的结构缺陷，以及NaCrO2的结构缺陷如何提高NaCrO2的电化学循环稳定性来解决这一问题. 通过实验的无缝整合, DFT建模, 和MD仿真, 肖 's和Chen的团队的这个联合项目是在原子水平上发展机制理解，并利用新创造的知识来指导合理设计和合成NaCrO2，控制结构缺陷和理想的化学掺杂，以获得更好的容量保留, 高往返能源效率, 钠离子电池的循环寿命长.