电化学储能材料与器件是解决清洁能源转换、存储和利用的关键。但随着电动汽车、大规模储能等的快速发展，现有体系已难以满足高能量、高功率、长寿命和低成本的要求，因此亟待研发高效纳米储能材料与器件。

针对目前锂电池在动力电池等方面的规模化应用中存在的比能量/功率密度低、稳定性差和安全隐患等问题，本项目凝练出了三个关键科学问题：（1）探寻高性能锂、铝等电池纳米电极材料和新型固体电解质体系，提出微纳复合结构电极材料的优化设计理论，实现纳米电极材料的可控制备，开发电极/电解质一体化界面构筑技术；（2）发展电极微纳结构与表界面的原位表征方法，探索电极添加剂对材料性能的影响以及材料晶体结构、电子结构和界面反应的原位演化规律，揭示材料储能机制和容量衰减的本征因素；（3）开发高性能、低成本纳米储能材料的大面积可控制备技术，实现新型高效储能器件的设计与研制。

针对上述关键科学问题，拟开展高安全性、高比能的新型纳米储能料与器件的基础研究，具体研究内容如下：

（1）高性能电池关键材料的理论预测与设计：结合经验规律、第一性原理方法及高通量计算理论开展已知及未知锂、铝电池正、负极材料的组分结构计算筛选与搜寻，探索确定与体系储能密度和热力学性质关联的物理量，揭示电极材料电化学性能与其晶体结构、物相组成等的内在联系，提出纳米结构储能电极材料设计理论，建立电解质材料成分、结构与离子电导率的构效关系，预测高离子导电率的电解质以及性能优异的隔膜和添加剂新体系。

（2）纳米电极材料及电解质的研制与结构调控：基于理论计算和材料设计，通过化学溶液法、物理气相法及纳米流变相-自组装技术，重点研究富锂、钒系等正极材料和硅基、新型合金等负极材料的优化设计和可控制备。在介观尺度调控其生长、表界面特性和组装行为，开发具有分级多孔微纳复合结构的电极材料，研究电极材料组成颗粒尺寸、物相等微观结构因素对脱嵌离子电位、电极反应可逆性、电极极化以及电荷传输与迁移等电化学行为的影响规律，探索影响电极材

料比容量的关键因素。重点研究P(VDF-HFP)及PEO 基凝胶/固体聚合物电解质和硫化物电解质，揭示电解质材料成分、结构与离子电导率的构效关系，实现电解质的离子电导率和微孔结构的有效调控，尤其是研究电解质与正负极纳米电极材料间的电化学和化学兼容性，获得稳定和紧密结合的“纳米电极材料-电解质”界面，为高效纳米储能器件提供关键电池材料。

（3）电极微纳结构与表界面的原位表征及演化规律：基于现有的单根纳米线电化学器件原位检测平台，结合原位XPS、电子能量损失谱（EELS）、原位NMR 等技术，设计制作一套可同时施加电场、温度场、光的单根纳米线储能器件电化学原位测试系统，实现锂、铝离子等电池电极材料的电化学、电、温度、磁、光等多场耦合性质的测量。将X 射线衍射仪、电化学工作站以及高低温变温箱有机集成，发展高低温超快速电化学原位二维面探XRD 技术，并结合原位TEM 表征，研究电极材料在不同环境温度、不同充放电倍率下的晶体结构、微观结构等的演变。搭建原位电镜（SEM、TEM 或AFM）及原位光谱测试（Raman、FTIR 或XPS）平台，并重点开发原位针尖增强拉曼（TERS）等先进技术，实现SEI 膜的形成过程及化学组分、元素状态变化的实时观测。研发封闭式液态原位TEM 芯片，发展开放式原位TEM 芯片及其测试技术，结合原位SEM、AFM 等技术同步观测电化学反应过程中负极金属枝晶的生成和形貌演变，针对性地提出抑制枝晶生长的方法。

（4）高效储能器件的设计、组装与性能优化：根据理论计算和电池材料的实验研究结果，确定具有优异性能且匹配性良好的正负极材料，结合本项目研制的高离子导电率的电解质和复合隔膜材料，基于均衡设计方法，设计和开发包括柔性固态混合型储能器件在内的新型高效纳米储能器件。根据研制储能器件性能测试反馈的实验结果，进一步集成和优化上述有关材料和电极方面的研究成果，并从材料、电极、器件三方面优化设计和制备工艺，以利于提高能量密度，最终实现锂离子样品电池能量密度大于400 Wh/kg，循环稳定性大于500 次的目标。

本项目拟通过对高效纳米储能材料与器件的关键科学问题系统和深入研究，实现从基础研究到应用研究的全链条一体化设计，并预期在以下几个方面取得突破。

（1）在理论创新上有所突破：发展一种先进的高通量结构预测新方法，结合第一性原理等数值计算方法，获得下一代锂、铝电池关键材料的性能优化策略，阐明不同类型界面结构的稳定性及其对性能的影响规律，为提高能量密度提供理论基础。

（2）在电池关键材料上有所突破：实现性能优异的不同维度纳米电极材料及其复合材料的可控构筑和功能化，结合自主研发的高性能电解质材料，获得电化学及化学稳定的“纳米电极材料-电解质”界面，为构筑高效纳米储能器件提供强有力的材料支撑。

（3）在表征技术上有所突破：发展一系列原位表征技术，揭示电极微观结构对电荷载流子传输与扩散迁移等本征电化学行为的影响机制，为获得具有高电化学稳定性、高能量/功率密度的电极及SEI膜、金属锂枝晶的生长演化规律提供技术和理论支持。

（4）在器件集成上有所突破：结合上述理论预测、材料设计与制备及电极反应机制的原位检测等一系列原创性成果，组装出高效纳米储能器件，实现能量密度大于400 Wh/kg，循环寿命大于500 次的目标，为项目同时进行的锂硫、锂空及铝离子电池的研发提供支持。