无机纳米薄片/条带的计算设计与嵌锂性能

锂离子电池在电动汽车等大功率负载中的应用需要能快速进行充放电的材料，即要求锂离子在材料中的扩散速率要快。本申请提出通过拓展层状化合物纳米薄片(nanosheets)和纳米条带(nanoribbons)层间距的途径来提高锂离子的扩散能力。将通过计算与实验相结合的方法探索层状化合物(以TiS2等为模型材料)纳米薄片/条带的稳定性、制备方法和嵌锂性能。深入理解介观尺度下层状化合物的几何结构演化规律，在此基础上通过有效控制的化学过程制备厚度为10nm以内的纳米薄片/条带材料，并将纳米薄片/条带自组装成具有纳米/微米球等形貌的材料，结合现代物理化学测试手段重点研究锂离子在纳米薄片/条带材料中的嵌入和扩散过程，综合计算模拟与实验结果，掌握化学组分、电子结构和纳米薄片层间距等对锂离子嵌入和扩散能力的影响，为设计制备能快速可逆进行充放电的高容量锂离子电池材料提供理论指导。

经过三年来的系统和深入的研究工作，我们研究并设计了一系列的无机化合物二维纳米薄片(nanosheet)和一维的纳米条带(nanoribbons)，包括h-BN、单层金属有机共价高聚物、具有平面四配位成键的SiC2、MoS2和VS2单层、MXene等类石墨烯无机纳米薄片/条带，探索层状化合物在有限原子层数条件下的结构稳定性以及这些纳米薄片/条带结构所对应的相关物性，锂离子在纳米薄片/条带材料中的嵌入和扩散过程，并通过化学剥离法法制备了MoS2纳米薄片及其与石墨烯的复合材料，通过溶胶凝胶法制备Ni-C复合纳米片，研究了锂离子嵌入、扩散性能和储锂机理。通过计算模拟与实验结果相结合，为高容量锂离子电池材料的研究提供了理论指导。三年来，我们已发表研究论文14篇，12篇发表在影响因子3.0以上的杂志上，其中2篇发表在J. Am. Chem. Soc.上，并应邀为Progress in Materials Science杂志(影响因子23.194)撰写了长篇综述，申请一项中国专利并已获得授权，超额完成了我们在基金申请书中提出的目标。论文发表后被Science、Nat. Commun.、JACS和Adv. Mater.等研究论文和综述他引共110多次，并被Nature China、acs.org和JACS Spotlights等作为研究亮点介绍。三年间有2位硕士研究生(后转为博士研究生)、6位博士研究生参加项目研究工作，2位获得过教育部博士研究生学术新人奖，3位博士研究生已经顺利毕业，其中1位获得南开大学和天津市优秀博士学位论文，被聘为江苏省特聘教授。我们每年还参与组织或参加了国内外计算化学/材料学和电化学等方面的学术会议，并邀请国内外相关领域的专家学者来访问交流。