电池及电冶金系统的电荷传递过程及其规律研究

Charge transfer is an important step in the process of battery and electrometallurgical system and is the key part to influence the performance of the system. Because of the closure and complexity of the battery and electrometallurgical system it is impossible to investigate the electrode reaction timely and to predict the structure change on the electrode surface. The response of electrode interface zone to ac impedance is in different frequency range from other parts of the system due to their disparity in the structure and property. The aim of the proposal is to obtain charge transfer resistance in near equilibrium state and the influence of electrode nature, electrolyte composition, temperature on the charge transfer resistance, and to explore the relationship between charge transfer resistance and surface structure, voltage and current in far from equilibrium state for deeply understanding operation and phenomenon in the battery and electrometallurgical field and providing a theoretical basis for the research and application in the field, for establishing a new method to study the kinetics of electrode process and for developing metallurgical physical chemistry test research method through the systematical investigation of three important charge transfer processes in the field of battery and electrometallurgy: aqueous solution/metals and lmolten salt/metal as well as ithium ion battery electrode by using ac impedance technology, supplemented with XRD, SEM, TEM, XPS and other characterization techniques and combined with basic knowledge of physical chemistry, structural chemistry and materials science.

电荷传递是电池及电冶金系统过程的重要步骤，是影响电池及电冶金系统性能的关键部位。由于电极系统的封闭性和复杂性，不能预测电极表面结构的变化，也无法跟踪研究电极反应过程。电极界面区和系统其他部分在结构和性质上的差别使得它们对交流阻抗的响应出现在不同的频率范围。本项目拟采用交流阻抗谱技术，辅以XRD、SEM、TEM、XPS等表征技术，结合物理化学、结构化学和材料学的基础知识，系统地研究对电池及电冶金领域具有重要意义三类电极系统的电荷传递过程：水溶液/金属、熔融盐/金属和锂离子电池电极，获得在近平衡状态下电荷传递电阻数据及其随着电极性质、温度、电解质组成变化的规律性，探索远离平衡态下电荷传递电阻及电极的界面结构与电压及电流之间的关系，以期深入理解电池及电冶金系统运行规律和现象，为电池及电冶金领域的研究与应用提供理论依据，建立一种研究电极过程动力学的新方法，发展冶金物理化学测试研究方法。

金属的电荷传递电阻与金属的性质、厚度和晶粒尺寸有关，通过研究交流阻抗谱，建立了金属电极/水溶液界面电荷传递电阻与金属的性质、电极的厚度及晶粒尺寸之间的关系。在纳米厚度范围内，Cu和Ni电极的电荷传递电阻随着电极厚度的增加而下降，厚度低于20 nm时电荷传递电阻下降明显。金属的电荷传递电阻与金属的性质及电子结构有关，随着原子序数的增加而增大，表现出周期性的变化规律，VIB族金属比IB族具有更大的电荷传递电阻。金属Sn电极的储锂性能与Sn晶粒尺寸有关，随着晶粒尺寸的增大，储锂性能下降。增加石墨电极表面粗糙能减小电荷传递电阻，提高反应活性。本工作为设计高性能的电化学器件、提高铝电解过程的电流效率提供了有用的信息。.材料的电荷传递能力是其结构的重要表现。通过设计熔盐活化-过渡金属催化、模板制孔、杂原子掺杂、冷冻干燥和微波辅助加热等实验方法，制备了一系列结构和性能优异、具有快速电荷传递能力的分级多孔生物衍生碳和具有异质结构的金属氧化物(氮化物)/C复合材料，获得了制备条件对材料的微观结构、电荷传递电阻、储能、储锂和能源转换性能的影响规律。氮掺杂提高了材料的赝电容、冷冻干燥和熔盐活化优化了材料的孔结构和孔径分布、过渡金属催化提高了材料中碳的石墨化度和电导率、异质结产生的界面电场促进电荷载流子分离和表面反应、使其具有增强的光吸收和电荷载流子分离效率及电化学活性，显著地提高了材料的电荷传递性质和储能储锂性能及光催化活性，为加工制备新型能源材料提供了新的研究方法和基础数据，研究结果对能源领域的可持续发展具有重要的意义。本项目发表SCI检索论文23篇，其中中科院1区论文16篇，ESI高被引论文1篇，大学扩展版ESI高被引论文2篇，最高影响因子24.88，培养博士生5人、硕士生9人，授权发明专利1项。