电化学合成碳纳米管及其在锂离子电池中的应用研究

【项目介绍】本项目旨在评估将从CO₂通过电化学方法原位合成的多壁碳纳米管添加到锂离子电池正负极中的效益。该项目结合了A. Hankin博士在高温熔融金属氧化物/碳酸盐电解合成MWCNTs方面的专业知识，以及M. Titirici教授在开发和测试新型电池化学体系方面的专长。因此，CO₂还原将有效促进更可持续、更低成本的储能系统开发，助力净零转型。在锂离子电池中，传统的负极材料是石墨，传统的正极材料是炭黑（作为锂金属氧化物的添加剂）。碳纳米管通常被掺入材料中以改善其性能，可作为替代负极材料和/或正极添加剂。在锂离子电池中加入CNT的主要优势包括：减少炭黑的用量，炭黑的供应链有限；降低电池重量；实现更高的比容量；消除化学粘结剂。遗憾的是，目前CNT在电池中的应用受到传统化学气相沉积法从天然气合成CNT的高成本限制，该方法也伴随着CO₂废气的排放。然而，我们一直在开发一种可扩展的工艺，通过熔融碳酸盐电解同时捕获CO₂并将其转化为高价值碳纳米管，该工艺的能耗比化学气相沉积低50倍。我们建议将CNT合成工作与M. Titirici开发更可持续电池的工作相结合，以实现CO₂减排并缓解气候变化。【研究机会与项目目标】熔融碳酸盐电解的可行性已在热力学和实验上得到验证——其基本原理已获专利，目前该技术处于TRL 6级。我们正在Hankin实验室系统地解决动力学数据匮乏、缺乏热力学-动力学模型和多物理场模型等问题，具有知识产权生成的潜力。我们旨在解决的科学和工程挑战包括：深入理解如何控制碳电沉积的动力学，以实现对某一类型碳纳米结构的高选择性合成；评估不同碳纳米结构对锂离子电池正负极性能的影响，并扩展至钠离子和钾离子电池等新型电池化学体系；确定最佳纳米结构及其合成条件；对在锂离子电池电极中使用CO₂衍生CNT替代CH₄衍生CNT进行技术经济评估。除开展个人研究外，您还将与研究人员团队合作，为其项目提供支持，并负责维护安全的工作实践。【申请要求】申请人应已获得（或即将获得）化学工程、化学、物理学、材料科学、电气工程或机械工程领域的一等学士学位或硕士学位优异成绩。申请人还应具备出色的书面和口头沟通能力，这对于与工业合作伙伴协作以及通过期刊发表成果至关重要。申请应通过学院的在线申请系统提交。建议您在正式申请前与Anna Hankin博士(anna.hankin@imperial.ac.uk)讨论此机会，请在邮件主题中注明"CNT PHD"。【资助信息】提供42个月的资助。