基本信息
- 项目名称：
- 介孔磷酸钒锂/碳复合快离子导体材料的生物合成机理与应用研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 介孔磷酸钒锂/碳复合快离子导体材料是应用于锂离子电池的正极材料，它是以微生物法合成，其可以克服普通磷酸钒锂晶体材料离子导电率低，容量小，大电流充放电性能差等不足，具有能量密度高、环境友好、安全性好和循环寿命长的特点，可成为大型锂离子动力电池首选正极材料。
- 详细介绍：
- 本研究是将微生物学和材料学有机结合，通过学科交叉，从理论上和技术上探索提高材料性能的新途径。提出“金属离子诱导基因调控介孔微球结构形成”的思路，以微生物酵母细胞为自组装结构模板，采用微生物催化合成新技术，从分子水平上控制Li3V2(PO4)3纳米颗粒的沉积矿化，利用酵母细胞中严密的基因识别调控功能及特异的排序功能将Li3V2(PO4)3纳米颗粒组装成介孔微球结构，通过原位复合碳化和晶化热处理技术，合成具有介孔微球结构的高性能磷酸钒锂/碳（Li3V2(PO4)3/C）原位复合粉体材料。 利用微生物代谢原理研究介孔微球结构的形成与调控机理；通过研究介孔微球结构及晶体结构和原位复合结构与电化学性能之间的关系，揭示Li3V2(PO4)3/C原位复合材料的结构、组成对锂离子传导/嵌脱性能、电导率和能量密度的调控规律。本研究对锂离子电池材料的理论研究和大容量高功率锂离子动力电池的应用具有重要的理论价值和实际意义。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 通过研究介孔微球结构及晶体结构和原位复合结构与电化学性能之间的关系，揭示磷酸钒锂/碳原位复合材料的结构、组成对锂离子传导/嵌脱性能、电导率和能量密度的调控规律。 提出“金属离子诱导基因调控介孔微球结构形成”的思路，以酵母细胞为自组装结构模板，采用微生物催化合成新技术，从分子水平上控制磷酸钒锂纳米颗粒的沉积矿化，利用酵母细胞中基因识别调控功能及排序功能将磷酸钒锂纳米颗粒组装成介孔微球结构。
科学性、先进性及独特之处
- 利用金属离子在细胞壁上的静电匹配、诱导基因和酶催化作用，建立生物矿化过程的基因调控方法，组装介孔微球结构新思路。 以酵母细胞为自组装结构模板，从分子水平上控制磷酸钒锂纳米颗粒的沉积矿化，利用酵母细胞中基因识别调控功能及排序功能将磷酸钒锂纳米颗粒组装成介孔微球结构。 采用原位掺入导电剂技术，通过酵母细胞碳化和晶化热处理，合成高性能介孔微球磷酸钒锂/碳粉体材料，实现结构和电化学性能的精确调控。
应用价值和现实意义
- 磷酸钒锂/碳复合快离子导体具有能量密度高、环境友好、安全性好和循环寿命长的特点，可成为锂离子电池首选正极材料，将促进各种电子产品和电动汽车的研究、生产和应用，缓解汽车对石油能源的依赖和对环境的污染。 微生物催化仿生合成磷酸钒锂/碳复合材料可实现从分子水平上对纳米结构的精确控制和组装，且廉价、结构和组成重复性好，可批量合成，产率高，反应条件温和，工艺简单，无污染，耗能低，易产业化。
学术论文摘要
- 以酵母为模板，V2O5、NH4H2(PO4)3、Li2CO3和草酸为原料，采用生物法和溶胶—凝胶法相结合制备了锂离子电池正极介孔Li3V2(PO4)3/C复合材料。通过X射线衍射（XRD）、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、电子能谱（EDX）、差热—热重分析（TG-DTA）和氮气吸脱附对产物的结构和形貌进行表征，采用横流充放电考察了产物的电化学性能。结果表明，以2g酵母为模板合成的Li3V2(PO4)3/C复合材料为介孔材料，且存在开口和闭口两种结构的孔；所得的样品为纯相单斜Li3V2(PO4)3，颗粒大小均一，分散性好，电子传导率达到6.5×10-3 S/cm；在3.0—4.5V电压范围内以0.2C倍率充放电，首次放电容量达到112mAh/g；在3.0—4.8V电压范围内以0.5C倍率充放电，放电容量达到120mAh/g，且具有良好的循环性能。另外还对生物法合成磷酸钒锂进行了机理初探与应用研究。
获奖情况
- 无
鉴定结果
- 推荐作品
参考文献
- [1] Jeffrey W. Fergus, ceramic and polymeric solid electrolytes for lithium-ion batteries, Journal of power sources 195(2010) 4544-4569 [2]B. Scrosati, J. Garche, J. Power Sources 195 (2010) 2419–2430. [3] J.B. Goodenough, Y. Kim, Chem. Mater. 22 (3) (2010) 587–603 [4] T. Kerr, J. Gaubicher, L.F. Nazar, Electrochem. Solid State Lett. 3 (2000) 460. [5] L.N.Wang, Z.C. Li, H.J. Xu, K.L. Zhang, J. Phys. Chem. C 112 (2008) 308. [6] P. Fu, Y.M. Zhao, Y.Z. Dong, X.N. An, G.P. Shen, Electrochim. Acta 52 (2006) 1003. [7] M.Y. Saïdi, J. Barker,H.Huang, J.L. Swoyer,G. Adamson, J. Power Sources 119–121 (2003) 266. [8] M.Y. Saïdi, J. Barker,H.Huang, J.L. Swoyer, G. Adamson, Electrochem. Solid-State Lett. 5 (2002) A149. [9] J. Barker, M.Y. Saïdi, J.L. Swoyer, J. Electrochem. Soc 150 (2003) A684. [10] C. Gröger, K. Lutz, E. Brunner, Cell Biochem. Biophys. 50 (2008) 23. [11] K. Sato, Top. Curr. Chem. 270 (2007) 127.
同类课题研究水平概述
- 磷酸铁锂（LiFePO4）晶体材料被誉为是第三代里离子电极正极。但由于晶体结构中没有连续的锂离子通道和八面体网络，Li+扩散速率低（仅为10-9—10-10S/cm），导致LiFePO4容量较低和大电流放电性能较差。近年来，陈立泉等院士在锂离子快离子导体研究中取得了创新成果，研制出了室温离子电导率高的锂离子导体材料La1-xLixTiO3。目前，把介孔孔道作为Li+的存储介质，提高离子传导性已成为锂离子电池正极材料研究的热点。国外Yamada等合成了一种玻璃态的TiO2•2P2O5介孔材料，160℃的电导率为2×10-2S/cm，这是介孔材料质子导电的重大突破。介孔结构的快离子导体材料其抗大电流充放电能力强、使用安全、致密稳定、成本低，适宜制备锂离子动力电池正极材料。但目前国内外在本领域的研究均无实质性突破，离应用差距较大。 现今利用生物组织或大分子合成无机材料已经成为一个新研究热点。但有关利用细胞中代谢能的原位贮藏转化和代谢网络结构及其功能的精确调控复制没有文献报道，本研究首次提出以酵母细胞为催化模板反应器，用磷酸盐调控复制酵母细胞本身特有的代谢能网络介孔结构来改善锂离子传导性能的设想，研制出具有良好性能的锂离子电池正极材料，提高锂离子电池的性能，促进新能源推广应用。
