納米科技取得的飛快進(jìn)步以及它對各個領(lǐng)域的影響得到了世界的公認(rèn)，從而確立了它在2l世紀(jì)的戰(zhàn)略地位。納米材料和納米結(jié)構(gòu)的研究是納米科技領(lǐng)域起步最早、成果豐富的領(lǐng)域之一，對制造業(yè)、信息技術(shù)、能源、環(huán)境、健康醫(yī)療、生物技術(shù)和國家安全等領(lǐng)域中納米科技的應(yīng)用起著舉足輕重的支撐作用。高科技領(lǐng)域?qū)哂袃?yōu)異性能的納米材料的物相和形貌的同時控制，以及組裝特殊納米結(jié)構(gòu)等的需求是牽引納米材料向深、新層次發(fā)展的重要動力。數(shù)十年來，能夠?qū)崿F(xiàn)控制性地合成性能優(yōu)異的儲能納米材料及其定向組裝一直是無機(jī)化學(xué)、納米化學(xué)、材料科學(xué)、物理化學(xué)和能源科學(xué)等領(lǐng)域的交叉研究的前沿?zé)狳c。無機(jī)新型儲能材料納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計與可控合成已經(jīng)作為新興納米材料和納米結(jié)構(gòu)學(xué)的重要而又嶄新的分支及交叉科學(xué)之一，也將成為進(jìn)一步設(shè)計和研發(fā)新型高效鋰離子電池、鎳氫電池、太陽能電池等能源領(lǐng)域的新方向。
為了保證納米尺度范圍的儲能性能達(dá)到高電容，并且能實現(xiàn)體積更小柔韌性更好的儲能電池制各(包括鋰離子電池和鎳氫電池)，其關(guān)鍵在于儲能電極材料的選擇和合成，因此設(shè)計新的納米組裝儲能材料將是納米儲能器件更高層次的設(shè)計研發(fā)要求。儲能材料結(jié)構(gòu)的性質(zhì)不但與大小和形狀有關(guān)，而且與其不同的組裝體系也有關(guān)系。納米組裝體系的基本內(nèi)涵是以納米顆粒、納米線和管為基本單元在一維、二維和三維空間組裝排列成具有納米結(jié)構(gòu)的體系，其中包括納米陣列體系，薄膜鑲嵌體系等等。納米顆粒、絲、管是有序的排列，而且組裝而成的納米結(jié)構(gòu)材料不僅會繼承其結(jié)構(gòu)單元的特性，還可能具有納米結(jié)構(gòu)單元組合產(chǎn)生的耦合效應(yīng)、協(xié)同效應(yīng)等，這些特性不僅僅是設(shè)計和制造納米器件的基礎(chǔ)，也將是進(jìn)一步設(shè)計和研發(fā)新型儲能納米材料的新方向。目前儲能納米材料組裝結(jié)構(gòu)的探索和研究還處于起步階段，但初步研究已表明納米組裝結(jié)構(gòu)可能具有優(yōu)越的儲能性能，同時實現(xiàn)制備方法簡單且一步實現(xiàn)電極制各。因此，尋求合理的反應(yīng)路線，對納米儲能材料物相和形貌進(jìn)行同時控制并進(jìn)行同步組裝已經(jīng)引起科學(xué)界的廣泛關(guān)注。但是，控制性地合成高質(zhì)量的具有高效儲能特性的納米結(jié)構(gòu)單元的尺寸、單元相互作用以及組裝情況，實現(xiàn)人工對儲能能力大小的調(diào)控，使其具備探索新型儲能納米器件的研究基礎(chǔ)，特別是，在納米結(jié)構(gòu)單元的尺寸影響和相互儲能機(jī)制及它們與儲能能力大小的關(guān)系的認(rèn)識方面仍然存在許多不足之處。
本課題組成功地利用“納米結(jié)構(gòu)建筑學(xué)”的理念，圍繞新型儲能電極材料的納米定向組裝、性能探索和可能的應(yīng)用開展了系統(tǒng)的研究，制備出具有高度穩(wěn)定性和優(yōu)良電化學(xué)性能的儲能電極材料；同時從條件溫和和經(jīng)濟(jì)實用的反應(yīng)路線出發(fā)，實現(xiàn)了對儲能電極材料的納米定向組裝與構(gòu)建以及新物相儲能電極材料的可控合成。充分研究了各種納米結(jié)構(gòu)組裝儲能設(shè)備的充放電性能，揭示儲鋰(或氫)和脫鋰(或氧)的電化學(xué)特性，以實現(xiàn)提升鋰離子電池和鎳氧電池的綜合性能體系；從理論和實驗上結(jié)合的高度研究了其儲鋰脫鋰或儲氫脫氫機(jī)制，做到結(jié)構(gòu)一性能之間的良性互動。
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