1、項目名稱：納米結構材料在先進能源器件應用中的表界面問題研究首席科學家：王春儒中國科學院化學研究所起止年限：2012.1 至 2016.8依托部門：中國科學院一、關鍵科學問題及研究內容擬解決的關鍵科學問題（1）表界面納米結構與能量轉化和存儲的構效關系與調控原理。（2）能量轉換存儲器件中納米結構材料的可控制備。（3）光電轉換儲能器件制備和使用過程中的原位、實時表征原理及方法。（4）影響儲能納米結構動力學穩定性的關鍵因素。（5）光伏器件中表界面能級的匹配及界面電荷分離性能的優化。圍繞以上關鍵科學問題，“納米結構材料在先進能源器件應用中的表界面問題研究”以納米結構材料在能源器件應用過程中的表界面為切入

2、點，研究高性能能源器件的共性問題。研究內容包括三個密切相關的部分，首先， 結合理論計算，通過設計并可控制備納米功能材料，采用化學修飾、納微復合結構等手段得到高效穩定的納米結構材料。其次， 采用先進的納米材料表征和測試技術，原位表征先進能源器件中納米材料表界面的結構及性能，研究載流子在表界面上的輸運、存儲和反應特性，闡明影響納米材料穩定性的關鍵因素，由此解決納米結構材料在先進能源器件應用中熱力學穩定性與動力學活性兼顧這一關鍵科學問題。第三， 通過對納米材料在先進能源器件應用中表界面問題的研究，實現高光電轉化效率量子點光伏器件和高能量密度鋰電池。項目的研究重點為：（ 1）表界面納米結構與能量轉化和

3、存儲的構效關系與調控原理先進能源器件的高性能主要源于其對納米結構材料的使用，隨著材料維度的降低和特征尺度的減小，納米結構的量子效應、尺寸效應、表界面效應等一系列物理效應變得顯著，它們是提高能源器件性能的關鍵所在。我們將結合納米結構材料本身的結構與特性，通過實驗和理論研究相結合，研究納米結構材料中的物理、 化學變化規律，特別是表界面結構在能源器件工作過程中的動態變化，探索器件光電轉換及能量存儲的微觀過程與機制。在深入分析和模擬實驗現象的基礎上， 提出表界面納米結構與能量轉化和存儲的構效關系，并在此基礎上根據能源器件工作原理提出調控和優化器件性能的原理。針對典型光電能源納米結構材料， 主要采用量子

4、力學第一性原理計算方法，結合非平衡格林函數技術，研究原子分子層次的納米結構材料的物理、化學性質，以及光電轉換過程的微觀物理化學機制、 輸運性質；針對能量存儲納米結構材料，主要采用完全的量子分子動力學方法， 研究電極材料的電子結構和表界面微納結構，在此基礎上研究鋰離子脫嵌動態過程和機理及表界面上的離子擴散過程。最后， 結合分子動力學和模型勢等方法，模擬宏觀層次的器件特性。（ 2）能量轉換儲能材料的設計和可控制備在深入了解先進能源器件的工作原理和對功能納米材料的結構特性、電子特性、 光電特性以及表界面特性深入研究基礎上，重點對幾類典型能量轉換和儲能納米材料進行研究，包括TiC2, ZnO?半導體功

5、能納米材料，碳納米管、石墨烯、 富勒烯、石墨烘等全碳納米材料，CdS CdS乘量子點材料等。這些材料廣泛應 用于多種能源器件中，對于它們的研究具有特別重要的意義。研究中采用理論和實驗相結合的策略，一方面利用量子力學第一性原理計算與分子動力學方法研究這些功能納米結構材料的結構、電子和光學特性，探討其尺寸效應和量子效應對其性能的影響，研究模擬其生長動力學；另一方面在實驗中總結其生長規律，找出納米結構影響材料性能和生長過程的關鍵因素，并在此基礎上提出結構和性質的改進方案。通過理論和實驗相結合設計新型的納米結構基元。（ 3）能源器件中納米材料表界面的原位、實時表征原理及方法能源器件中引入功能納米材料主

6、要是由于納米材料的小尺寸、大比表面積以及由此帶來的量子效應和納米效應。研究表明，納米材料在表界面處的結構、特性以及動態變化是決定納米能源器件性能的根本，所以我們在研究中以能源器件內納米材料表界面為切入點，發展多種表界面原位、實時表征原理和方法。包括建立電化學原位掃描探針（AFM、STM）方法，在納米尺度上研究光、電化學能量儲存和轉換體系的表、界面形貌和結構，結合探針輔助的電化學阻抗測量技術原位研究能量儲存和轉換中的傳質、傳荷和催化過程；發展和建立新型掃描電化學顯微術（SECM光纖電極，原位構建量子點光伏體系，研究半導體電極與氧化還原電對的電荷復合及其影響因素；發展基于等離子增強電化學原位拉曼光

7、譜方法，建立基于核殼納米粒子增強拉曼光譜（SHINERS和微電極針尖增強拉 曼譜（SECM-TERS技術，原位研究染料分子等離子激元增強光吸收效率及半導 體-染料分子界面的相互作用；發展原位 XRDf吸收譜技術，研究能量轉換與儲 存過程中電子結構與晶體結構演變規律；發展球差校正高分辨透射電鏡技術，實 現對于納米材料表界面的原子級結構分辨。（ 4）探索影響儲能納米結構動力學穩定性的關鍵因素從熱力學角度看，鋰電池的理論能量密度與正負極材料儲存電荷的容量及其電化學勢差（電壓）有關。提高電池的能量密度有賴于高容量與高電壓電極材料以及與之兼容的電解質材料的開發。在許多情況下，盡管許多電池材料體系具有較高

8、的理論能量密度，但它們卻由于動力學原因而沒有電化學活性。納米材料的優勢是在保持相關材料熱力學優勢的同時，使電極材料的動力學性能得以提高。但是， 納米材料在應用中遇到的最大困難是表界面穩定性問題，這是納米材料具有的表面能、界面能、缺陷形成能的熱力學體現。在儲鋰過程中，納米材料易于團聚， 表面易于發生副反應。這一方面導致納米電極材料的循環性、充放電效率大大降低， 同時由于表面形成的不良電子、離子導電相發生團聚，納米材料的動力學優勢往往不能顯現出來。為了解決這一問題，我們首先通過熱力學計算選擇具有高容量、低電壓的材料體系，然后設計合成具有特定微觀結構的納米材料并組裝器件，綜合循環伏安、交流阻抗、電位

9、馳豫、恒電流間歇滴定技術、電位階躍等方法， 研究和確定材料與界面的動力學速率控制步驟。研究在電池長期循環過程中，電極材料的結構演變對器件動力學和穩定性的影響。（ 5）光伏器件中表界面能級的匹配及界面電荷分離性能的優化量子點電池中包含有納晶多孔電極/半導體量子點，納晶多孔電極/電解質，半導體量子點/電解質，納米電催化劑/ 電解質等四個界面，正是它們決定了電子注入效率、復合速度以及填充因子，進而決定了器件性能。為了同時滿足量子點的高吸光效率與激子的高注入效率的要求，量子點負載的基底一般不是單晶平板結構， 而是具有大比表面的納米結構。在負載足夠數量量子點以保證其高吸光效率的同時，應使每個量子點都能與

10、載體形成良好的異質結結構，由此實現快速的電荷分離和輸運。因此， 為實現高性能量子點光伏器件，在研究中需要通過組分及尺寸的調控獲得吸光系數大、光譜吸收范圍寬、能級匹配好、性能和結構穩定的納米半導體量子點材料；通過協同自組裝和模板法等技術制備結構有序的納晶多孔電極以提高納米材料中傳輸速度和傳輸長度；通過摻雜、結晶性能、表面狀態、及表面修飾減少納米結構半導體材料界面電子的復合影響等。二、預期目標總體目標：通過對納米結構材料在先進能源器件應用過程中的表界面關鍵科學問題開展研究， 獲得一批具有國際競爭力和重大應用價值的研究成果，使我國在量子點光伏器件和高能量密度二次鋰電池材料體系及器件研究和應用總體水平

11、進入國際先進行列，爭取做出若干原創性的工作，在國際能源器件研究領域占有一席之地。預計經過5年的研究，將量子點光伏器件的光電轉化效率從目前的5 % 提升至 10 % 以上，將二次鋰電池的能量密度從目前的150-200瓦時/公斤提升至300瓦時 /公斤以上，為清潔能源材料和技術領域的可持續發展及其成果轉化提供新知識、新方法、新技術和新材料，形成具有自主知識產權的關鍵材料與器件，促進我國新能源產業未來的發展。在知識創新方面：發現新概念、新原理、建立新理論。主要在以下幾個方面取得重要進展，做出在國際上有重要影響的工作：揭示表界面納米結構與能量轉化和存儲的構效關系與調控原理；實現能量轉換存儲器件中納米結

12、構材料的可控制備；建立光電轉換儲能器件制備和使用過程中的原位、實時表征原理及方法；揭示影響儲能納米結構動力學穩定性的關鍵因素；實現光伏器件中表界面能級的匹配及界面電荷分離性能的優化。預期 5年發表200篇SC收錄的論文，其中高水平論文50篇以上，出版1-3部以上專著。通過本項目的執行，培養和造就一批高層次的研究人才，形成幾個在相關領域中有國際影響的研究群體，為國家長期可持續發展提供能源保證。在方法創新方面：建立2種適合納米材料表界面原位實時表征的方法；發展適合光電能源材料與器件的理論模擬方法；利用修飾表界面、構造特殊納微復合結構的材料設計思想提高量子點光伏器件的光電轉化效率和二次鋰電池的能量密

13、度。 在技術創新方面：發展納米結構能源材料的可控制備技術；發展功能界面材料的組裝技術和復合技術；解決納米結構能源材料的表界面穩定性問題。在材料創新方面：制備出對國民經濟有潛在重要影響的、具有自主知識產權6種以上新材料，申請30項發明專利；開發高效、低成本、無毒的光電轉換電 池材料；高容量微納結構鋰離子電池正、負極材料；具有保護機制的金屬鋰材料;表界面穩定的高容量納米結構硫復合正極材料等。在優秀人才培養方面：培養一批包括若干名國家杰出青年基金獲得者的高層 次研究人才，形成在國內外有重要影響的能源材料與器件的研究基地。三、研究方案1、總體研究思路及技術路線本項目針對我國未來能源產業發展具有重大影響

14、的光電化學能源器件（產能和儲能） 中的共性表界面關鍵問題，主要研究在上述兩個應用方向上的納米結構電極材料表界面的動力學與界面穩定性問題，系統研究這些納米電極材料中的納米效應和新的產能/儲能機制。借助SPMK術和表面增強拉曼光譜等技術，從分子 /納米尺度上研究載流子的存儲和輸運行為及電極/電解質界面特性。通過實驗與理論計算相結合的方法研究相關的表界面結構和特性。在對能源器件中納米材料的納米效應、輸運行為、界面特性等問題有清晰的理解和認識的基礎上，有目的的進行電極材料納米結構設計，通過各種化學和物理手段實現對納米結構基元的組裝調控，并結合表面修飾、有效復合與改性等手段提高電極材料的高倍率性能和穩定

15、性，構筑“動力學穩定”的、能提供快速載流子通道的高功率、高容量納微復合結構電極材料，構筑高光電轉化效率的光伏器件和高能量密度的鋰電池。在理論模擬研究中，將主要采用量子力學第一性原理計算方法，結合非平衡格林函數技術，研究原子分子層次的材料結構和性質以及微觀物理化學機制；結合分子動力學和模型勢方法，研究宏觀層次的材料和器件性質。通過第一性原理計算和統計物理方法相結合，研究電極材料的熱力學性質；采用完全的量子分子動力學方法研究電極材料、電解質以及表界面上的離子擴散過程；考慮包含了新交換關聯泛函（如mgga）后對材料缺陷結構和物理性質計算結果的影響，選擇最優交換關聯泛函用于寬帶隙半導體材料；使用含時密

16、度泛函理論（ TDDFT研究染料敏化半導體系統中電子注入的動力學過程；采用多尺度方法擬合模型參數， 研究更大尺度的器件相關問題。發展一套高效的用于研究光電能源納米結構材料輸運性質的理論模擬方法。在表界面原位表征研究中，將針對能量轉換和儲存的高效性和表、界面穩定性問題， 建立和發展原位微探針顯微術和電化學拉曼光譜技術，設計和分步構筑納米結構體系，通過考察納米結構的形貌、晶相、表、界面相互作用和動態行為等， 深入研究納米結構體系的表界面結構與電荷輸運機制和效率，揭示電化學或光、 電化學協調作用下能量轉換的關鍵性因素，促進應用于能量轉換和儲存過程中具有高效率和高穩定性的納米結構材料和體系的設計和制備

17、。在量子點光伏器件研究中，將建立量子點電池的宏觀微觀多尺度多物理場模型， 對量子點電池的性能進行模擬，確定影響光電轉換效率的關鍵因素，以及最佳條件下的電池納米微觀結構、各種材料之間的能級匹配關系等。通過組分及尺寸的調控獲得吸光系數大、光譜吸收范圍寬、能級匹配好、結構和性能穩定的納米半導體量子點材料。利用能帶工程結合量子理論進行能帶結構設計，尋找具有合適帚隙的無機半導體量子點材料；發展新的合成方法合成具有特定尺寸和光譜吸收范圍的半導體量子點吸光材料，并研究影響量子點光穩定性的影響因素；研究共敏化和表面修飾對量子點穩定性和界面電子復合的影響。結合具有陷光結構和孔隙可調納米結構多孔薄膜及導電基底表面

18、具有納米結構的減反膜，增大薄膜對光的吸收效率，提高對光的利用效率。通過協同自組裝和模板法等技術制備結構有序的納晶多孔電極以提高納米材料中傳輸速度和傳輸長度，進而提高載流子傳輸速率。設計合成具有納米棒、納米線、納米管陣列結構的TiO2、ZnO?口SnQ等無機半導體材料，以期提高載流子傳輸速率；通過摻雜、結晶性能、表面狀態、及表面修飾減少納米結構半導體材料界面電子的復合影響；兩者結合共同提高電子收集效率。設計和合成可見光無吸收、金屬無腐蝕和能級匹配的新型氧化還原電對及固態電解質，研究與之相配的高效、低成本非 PtM電極，探索對電極材料和微結構以及后處理條件等因素對對電極電化學催化性能的影響。從能級

19、匹配和高空穴遷移率出發，結合密度泛函計算，發展先進固態離子型有機空穴輸運材料，實現高性能固態量子點敏化太陽電池。在表界面結構與電荷輸運性能研究中，將采用薄膜制備技術、微電極技術、阻塞電極技術、電化學阻抗，IMPSWIMV野測量方式，結合電化學AFM測量技 術和原位Romani譜技術研究材料中的不同載流子輸運特性， 關注輸運在材料中 的不均一問題；通過原位同步輻射吸收光譜技術準確測量材料中受體氧化態的變化； 通過薄膜與電化學技術，準確研究活性材料的電荷轉移過程；研究表面修飾對這一過程的影響，研究納米材料中的電荷轉移過程的動力學特性，發展新的原位測量真實電極輸運特性測量技術，以對復雜體系輸運問題有

20、一個基本認識。研究氧化還原電子空穴對在電解質中的擴散和輸運等電化學特性，以及電解質與電極之間的相互作用，尋找提高電池性能和解決電池穩定性的有效途徑。研究固態和準固態復合電解質的填充工藝，為電池的大規模生產打下基礎。綜合研究能量轉換器件在工作狀態下（光激勵下）的電子和離子響應、電子的轉移速率、離子的遷移機制、電池體系中的光電化學過程等；研究器件界面結構對于電荷分離、 電子轉移和電子復合動力學機制的影響和規律；建立量子點光伏器件的最優結構模型等。在鋰離子電池與金屬鋰電池儲能材料方面，將針對材料的微觀結構、組成進行設計，實現對器件循環性、動力學的導電添加劑、表界面修飾、集流體、電解液組成等方面進行調

21、控。通過熱力學計算確定具有高容量正、負極材料體系，主要針對過渡金屬化合物與納米復合物，根據目標容量，設計電極材料中活性物質與非活性物質的比例，確定化學組成，再進一步設計材料的微觀結構，使其滿足綜合性能優異的要求。根據計算確定的材料體系與微觀結構，設計合適的材料制備方法。通過固相合成、液相合成、水熱或溶劑熱、化學氣相沉積等材料制備方法研制出本課題提出的負極材料，采用控制劑量比、合成氣氛、模板、合成步驟來調整材料的維度、形貌、結晶度、雜質、孔分布、組成分布、粒徑分布、表面組成與結構等。通過多種表征手段，如 SEMK FIB-SEM XRD XPS FTIR口Raman 光譜、TEM、TG-DSC-

22、MS材料分析手段，確定所合成材料的組成與結構與制備 過程中的反應機理。通過 NMR、EPR XAS Mossbau邙光譜技術獲得材料的精 細結構信息。通過微探針、薄膜電極測量材料的本征電子電導與離子電導，最終確定復合材料的物理化學參數是否達到了材料的設計要求。測定材料的儲鋰容量、儲鋰效率、倍率特性、循環性能。在電極過程動力學研究方面，將綜合循環伏安、交流阻抗、電位馳豫、恒電流間歇滴定技術、電位階躍等方法，研究和確定材料與界面的動力學速率控制步驟， 從而明確動力學中活性材料的貢獻以及非活性材料的貢獻。在界面反應研究中，采用FTIR Rama仆TEM、XPS TG-DSC-MS電化學-色譜、電化學

23、-質譜聯 用等手段，通過比對參考化合物，對新儲能材料在充放電過程中表面 SE膜成份、 厚度、形貌，反應中產生的氣體予以確認，對界面反應的熱效應進行研究。在XRD、 XAS、電極材料在充放電過程中的組成與結構的演變研究中，將通過原位電化學阻抗譜（EIS）原位掃描電鏡與透射電鏡、原位核磁共振技術，研究充放電過程中材料的晶體結構、價態、局域結構、表面結構，獲得結構演變的信息。綜合材料的設計、模擬、表征、電化學測量、原位測量的研究結果，對本課題關注的前述研究內容以及涉及到的基礎科學問題進行研究，并進而指導、優化高容量負極材料體系的確定，材料的制備工藝優化以及電極結構設計的優化。2、可行性1） 研究目標

24、明確，技術路線合理，前期工作基礎扎實。研究結果表明，能源材料的表界面結構和性能是影響能源器件性能的決定性因素。 本項目研究目標集中于高能量密度鋰電池和高光電轉化效率量子點光伏電池， 抓住能源器件中納米結構材料表界面這一關鍵科學問題展開研究。研究團隊在表界面原位表征技術、納米材料制備技術、鋰電池器件研究、量子點光伏器件研究等方面具有扎實的研究基礎，前期研究中取得了系列重要成果，為本項目的實施奠定了基礎。2） 高水平的研究隊伍及合理的學科布局。本項目作為高度學科交叉的研究項目，集中了國內能源器件研究相關領域的優勢實驗室和研究團隊，通過交叉協作的研究方案，形成整體攻關團隊。項目組參加人員的學科布局合

25、理，年齡分布合理，通過團隊成員在各自領域的研究能力、特色技術和密切合作，有望實現高性能能源器件的重大突破。3） 承擔單位支撐條件完善。本項目依托北京分子科學國家實驗室（籌）和北京凝聚態物理國家實驗室（籌） 兩個國家實驗室，廈門大學表面物理化學國家重點實驗室，以及分子納米結構與納米技術實驗室、有機固體實驗室、光化學實驗室、清潔能源前沿研究實驗室等 4個中科院重點實驗室，具有先進的研究設備和完善的科研支撐條件，為全面實現本項目的研究目標提供了保障。綜上所述，本項目研究方案的提出是基于項目團隊多年來在相關領域的基礎研究積累。項目研究內容明確、技術路線合理。項目團隊成員學術思想活躍，與國內外相關領域研

26、究組保持密切的合作關系。因此，從科學思想、研究內容、研究方法、技術路線、人員配備、科研條件、前期工作基礎等多方面考慮，本項目的可行性強。3 . 創新點本項目以能源器件中納米結構材料表界面這一共性科學問題為切入點，以高光電轉化效率量子點光伏器件和高能量密度鋰電池為目標，以先進的納米材料制備、表征和測試技術為支撐，結合理論計算，在分子、納米、微米等多層次上開展系統研究，從根本上打破制約能源器件性能提升的瓶頸。本項目的特色是基礎研究和應用研究密切結合，理論研究與實驗研究密切結合，研究團隊涵蓋表面化學、電化學、納米材料、光電器件等領域，多學科交叉，可望獲得一批有特色的 研究成果。4 .課題設置為保證項

27、目的順利實施和完成，我們將研究內容劃分為三個層面，組織4個課題進行分工合作。三個層面分別是能源納米材料的可控制備，納米表界面結構的實時原位表征，以及高性能能源器件的構筑。能源納米結構材料的設計和可控制備為具有理想結構、優異光電特性或儲能特性、熱力學穩定和動力學活性高的表界面服務，而表界面的深入研究又為先進能源器件的構筑奠定基礎。四個課題設置如下：1）課題1 ：能量轉換與存儲納米結構材料的設計和可控制備主要研究內容：（1）研究幾種典型能源納米結構材料的形成機理及其電學 和光學性質，例如Ti。納米管、線及其復合材料，碳納米管、石墨烯、富勒烯、 石墨烘等全碳納米材料，CdS CdS乘量子點材料等。研

28、究材料的尺寸效應和量 子效應對其光電和儲能特性的影響，解釋實驗合成的納米結構基元的分子結構和物理化學性質，總結其中的規律，找出納米結構影響材料性能的關鍵因素，并在此基礎上提出納米材料結構和性質的改進方案，設計新型的納米結構基元。（2）針對量子點光伏器件，利用量子力學第一性原理計算與分子動力學方法相結合，建立量子點光伏器件的宏觀微觀多尺度多物理場模型。通過對量子點電池各種材料之間的能級匹配關系和性能模擬，確定影響其光電轉換效率的關鍵因素。（3 ）開展對鋰離子電池系統電極材料的研究。研究高容量富鋰相正極材料的典型納米結構和可控制備，針對先進鋰離子電池正極材料，重點研究高容量富鋰相xL2MnO3 （

29、1-x）LiMC2、高電壓橄欖石結構固溶體LiF&CoyNizMni-x-y-zPQ材料及S-區 合材料體系的納微結構設計和可控制備技術。研究納米材料的組成、摻雜、 合成條件、 表面修飾等因素對于其儲鋰機制及構效關系的影響；針對先進鋰電池負極材料，重點研究高容量硅、錫基合金負極，金屬鋰負極和富勒烯、石墨烯、石墨 炔等全碳納米材料。預期目標：通過實驗和理論相結合，揭示典型能源材料納米結構與其光電特性的關系。設計并可控制備幾種典型納米能源材料，包括大面積尺度可控的TiO2納米管、納米膜，其均勻度優于90%; TiO2與CdS CdS繇量子點復合材料，尺度 控制在30納米以內；可控制備多種正

30、、負極材料，包括富鋰相xL2MnO3 （1-x）LiMC2 材料、高電壓橄欖石結構固溶體 LiFeCcyNizMni-x-y-zPd材料、S-CS合材料、Si-C 復合材料等；開發百克級金屬富勒烯材料、厘米尺寸晶態石墨炔材料、公斤級石墨烯材料。承擔單位：中國科學院化學研究所、中國科學院研究生院課題負責人：王春儒學術骨干：蘇剛、鄭慶榮、李玉良、李勇軍經費比例：30%2）課題2:能量轉換與存儲過程中表界面結構的原位表征主要研究內容：圍繞納米結構材料應用于能源轉換和儲存過程中的表、界面問題，建立和發展掃描探針（AFM、STM）原位表征方法，在納米尺度上研究有關納米結構體系的表、界面形貌和結構，結合探

31、針輔助的電化學阻抗測量技術原位研究能量儲存和轉換中的傳質、傳荷和催化過程；建立和發展新型SECMt纖電極原位構建染料敏化太陽能納米電池體系，研究半導體電極與氧化還原電子空穴對的電荷復合及其影響因素；發展基于等離子增強電化學原位拉曼光譜方法，建立基于核殼納米粒子增強拉曼光譜（SHINERS和微電極-針尖增強拉曼 譜（SECM-TEFRS技術，原位研究染料分子等離子激元增強光吸收效率及半導體 染料分子界面的相互作用；研究離子液體作為能量轉換和儲能器件中的電解質及其與納米結構材料構成的界面的基本科學問題；設計和構筑能量存儲器件相關的納米結構及其表面修飾，深入研究納米結構、界面，及其光電特性的關系。通

32、過以上研究為設計高效、穩定的納微復合結構并應用在高性能能源器件中提供基礎。預期目標：建立和發展原位微探針技術和拉曼光譜技術及其聯用方法，闡明能源器件中復雜的納米結構電極與溶液或敏化分子與溶液構成的界面結構和作用機制，在分子水平上揭示電化學或光、電協調作用下的能量轉換過程和機理，為設計和制備在能量轉換和儲存中具有高效率和高穩定性的納米結構體系提供基礎。承擔單位：廈門大學、華南理工大學、中國科學院化學研究所課題負責人：毛秉偉學術骨干：林昌健、鄧文禮、詹東平、嚴會娟經費比例：20%3 ）課題3 :量子點光伏器件中納米結構的表界面調控主要研究內容：本課題將利用先進的納米材料制備、表征和測試技術，結合理

33、論計算，系統研究影響量子點光伏器件應用中面臨的能級匹配及界面調控問題。 重點研究規則結構納晶多孔電極如光子晶體和有序納米管二維陣列，硫族半導體量子點（PbSS CdSe CuInS CuInSR的制備及其能帶和表界面性能的調控；研究表界面穩定的固態電解質，基于離子液體的準固態電解質，以及配套的高性能對電極；在多層次（分子、納米、微米）水平上研究離子、電子和空穴在材料表界面附近的產生、輸運和反應特性，考察材料表界面的復雜反應，探討影響器件光電轉換效率的關鍵因素。為高光電轉換效率的光伏器件的研發奠定良好的科學基礎，促進我國光伏技術的發展。預期目標：建立量子點光伏器件微觀尺度界面電荷轉移、復合及傳輸

34、的動力學模型，為提升器件效率提供理論指導。制備出具有光子晶體結構和納米管規則陣列等2種高性能的納晶多孔電極，3種高光吸收效率高性能半導體量子點，并通過能帶工程使兩者實現能帶匹配；發展3種以上表界面穩定的固態電解質，基于離子液體的準固態電解質，以及配套的高性能對電極。將各種材料組裝研制小面積量子點光伏器件，并通過對光伏器件表界面的調控使小面積量子點光伏器件光電轉換效率達到10%以上。承擔單位：中國科學院物理研究所、中國科學院化學研究所、蘇州大學課題負責人：孟慶波學術骨干：王朝暉、林原、邵名望、羅艷紅經費比例：20%4 ： 高能量密度鋰電池中納米結構的表界面穩定化主要研究內容：本課題將利用先進的納

35、米材料制備、表征和測試技術，結合理論計算，系統研究影響納米結構儲能材料在下一代高能量密度鋰電池應用中最關鍵的動力學與界面穩定性問題。重點研究高容量硅、錫基合金負極，高容量富鋰相正極，高電壓橄欖石結構固溶體正極，金屬鋰負極，以及硫正極和空氣正極材料。通過在多層次（分子、納米、微米）水平上研究離子和電子在材料界面附近的輸運、存儲、反應特性，考察材料表界面的復雜反應、探討影響納米材料穩定性的關鍵因素，采用修飾表界面、構造特殊納微復合結構的材料設計思想發展高效穩定的儲能材料，為高能量密度鋰離子電池和下一代二次鋰電池（鋰-硫、鋰 -空電池）奠定良好的科學基礎，促進我國儲能技術的發展。 預期目標：揭示影響

36、高能量密度鋰電池納米結構動力學穩定性的關鍵因素；開發出高容量微納結構正、負極材料（正極材料可逆容量達到220 mAh/g以上；負極材料可逆容量達到800 mAh/g以上；循環次數達到200次以上；相應電池的能 量密度為250 Wh/kg以上）；實現金屬鋰負極和納米結構硫復合正極材料的表界 面穩定并應用于下一代高能量密度金屬鋰-硫電池（正極容量達到800 mAh/g以上； 負極金屬鋰具有保護機制；循環次數達到50次以上；電池的能量密度為300Wh/kg以上）承擔單位：中國科學院化學研究所、中國科學院物理研究所課題負責人：萬立駿學術骨干：宋衛國、蔣禮、李冬梅、馮國星經費比例：30%5 .課題間相互

37、關系課題間相互關系如下圖所示。課題 1 主要是能源轉換與存儲納米結構材料的設計和可控制備，為課題2， 3， 4 提供基礎，這部分既需要深入地理論分析和計算， 又需要在材料研究制備方面具有良好研究背景，所以在組織隊伍時由在材料合成與設計方面具有良好基礎的中科院化學所和在材料計算方面具有深厚基礎的中科院研究生院承擔；課題 2 研究集中在納米材料表界面結構的實時原位表征方面， 既為納米材料的設計與制備提出依據，又為先進能源器件提供基礎。這方面研究涉及到STM、AFM、SEM TEM、Raman> IR X-ray等多種先進納米表征手段，承擔此此課題的廈門大學和華南理工大學在這方面具有獨到的技術

38、，能夠保證任務的完成。課題3將課題1, 2的研究成果應用在量子點光伏電池的制備 與研究方面，是對于納米表界面表征和深入研究成果的直接應用，中科院物理所和蘇州大學在這方面已有國際先進水平的研究工作，是承擔此任務的最佳單位； 課題4將課題1, 2的研究成果應用于高性能鋰離子電池，中科院化學所和物理 所在這方面具有深厚的研究基礎和優越的研究條件，聯合承擔此課題可以保證其 順利完成。課題-材料設計與制備課題二 友界面結構表征課題間相互關系圖6 .項目總體目標和五年目標的關系本項目的總體目標是通過對納米結構材料在先進能源器件應用過程中的表 界面關鍵科學問題開展研究，獲得一批具有國際競爭力和重大應用價值的

39、研究成 果，為清潔能源材料和技術領域的可持續發展及其成果轉化提供新知識、新方法、新技術和新材料，形成具有自主知識產權的關鍵材料與器件， 使我國在量子點光 伏器件和高能量密度二次鋰電池材料體系及器件研究和應用總體水平進入國際 先進行列，爭取做出若干原創性的工作，在國際能源器件研究領域占有一席之地。本項目的五年目標集中于量子點光伏器件和高能量密度二次鋰電池材料體 系及器件，在原理創新，研究方法創新，新材料開發和人才培養等方面有所突破。 將量子點光伏器件的光電轉化效率從目前的 5 %提升至10 %以上，將二次鋰電 池的能量密度從目前的150-200瓦時/公斤提升至300瓦時/公斤以上。本項目的五年目

40、標是實現項目總體目標的基礎。 全面完成五年目標是本項目 運行期間的基本要求，將為項目總體目標的實現提供更為明確的研究方向和更為 雄厚的研究基礎。四、年度計劃研究內容預期目標第一年設計合成幾類典型能量轉換和儲能 納米材料并對其進行詳細表征，包括 具有納米顆粒、納米棒、納米線、納 米管等陣列結構的TQ、ZnO和SnO2 等半導體材料，碳納米管、石墨烯、 富勒烯、石墨快等可作為鋰電池負極 材料的全碳納米材料。研究上述納米結構材料的載流于傳 輸速率、電荷轉移效率等光電特性。 采用量子力學第一性原理計算方法 研究功能納米結構材料的結構、電子 和光學特性，探討其尺寸效應和量子 效應對其性能的影響，研究模擬

41、其生 長動力學。著手構建鋰離子電池有機電解質中 的SPM系統，進行電極/電解質界面 原位表征。設計制備2-4種以上結構新穎、性 能良好的半導體納米材料；探索可作為鋰電池電極材料的全碳 納米材料宏量制備技術；針又t 2-3種典型的能量轉換和儲能 納米材料，構建尺寸效應和量子效 應及界面效應等影響納米結構材料 的理論模型。發表論文40篇申請專利10項第二年在年工作基礎上提出納米材料 結構和性質的改進方案，結合非平衡 格林函數理論技術進一步調控納米 結構半導體材料的結構和性能，設計 新型的復合納米結構半導體材料、全 碳納米材料及量子點材料基元；結合SHINERSSPM技術研究已制備 納米材料中界面電子收集及復合情 況及在充放電過程中的結構發化過 程；運用SECM光纖復合電極，研究 燃料敏化太陽能納米電池體系；研究量子點多激子效應的產生條件 和規律并組裝量子點光伏器件；研究納米結構鋰電池電極材料中的 離子、電子輸運特性及其與微觀結制備3-4種具有優越光電特性的半 導體量子點和異質結構，實現富勒烯 年產100克量級生產；建立拉曼光譜研究染料敏化太陽能 電池原位表征方法，揭示影響納米儲 能器件負極材料表界面穩定性的關 鍵因素;建立材料宏觀、微觀結構與性質之間 的作用機制理論模型，對