《新型鍺基儲鋰電極材料的製備及表界面性質研究》是依託武漢大學，由柯福生擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：新型鍺基儲鋰電極材料的製備及表界面性質研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：柯福生
- 依託單位：武漢大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
鍺因具有高比容量和各向同性等特點而成為鋰離子電池新型負極材料的研究熱點之一，但鍺面臨的最大挑戰是充放電過程中存在嚴重的體積膨脹導致容量快速衰減的問題。本項目擬採用多孔結構和多元合金化解決鍺的體積膨脹問題。探索不同結構和孔徑鍺基（Ge、Ge-Sb和Ge-Sb-Cu合金）材料的製備方法，系統研究結構、孔徑大小和組分對鍺基負極材料電化學性能的影響，並通過調控鋰離子和電子的傳輸通道，研製出具有高比容量、高倍率和高安全性能鋰離子電池新型結構鍺基負極材料；採用時間分辨原位X-衍射技術，研究不同結構鍺基電極材料在充放電過程中的晶相變化和儲鋰機理，同時結合電化學交流阻抗和電化學原位紅外光譜技術，研究上述不同結構電極表面的固體電解質膜的形成機理，闡明不同結構鍺基材料的結構、電化學性能和界面反應的內在關係，為發展適合鍺基材料電解液提供理論指導。研究結果對新型高容量離子電池負極材料的研發具有重要的理論指導意義。
結題摘要
鍺具有高比容量而成為鋰離子電池新型負極材料的研究熱點之一，但鍺電極面臨的最大挑戰是充放電過程中存在嚴重的體積膨脹導致容量快速衰減、充放電過程中材料晶相結構變化不清晰、以及製備方法苛刻複雜等問題。本項目針對上述問題，發展了一種快速雷射製備方法得到Ge、Ge-Sb、Ge-Sb-Co等複合材料，同時以多孔Ge為基底採用雷射和熱還原法得到多孔結構Ge@GeCu和Ge@GeSb材料，而且顯示出優越的電化學性能。另外，首次研究發現Ge-Si固溶體的應力與電化學儲鋰性能相關聯，應力越大循環性能越好。此外，我們建立一套快速高分辨的電化學原位X-射線衍射技術，並運用該技術研究了不同負極材料（Ge、Si和Ge-Si固溶體）在充放電過程中的晶相變化和儲鋰機理。首次觀察到了Si電極的三個衍射峰111、220和311的強度是同步減弱，而Ge電極的220和311 衍射峰的強度衰減是同步的，且明顯快於111衍射峰。說明Si電極在儲鋰過程可能是各向同性的，而Ge電極是各向異性的。這與文獻採用原位TEM觀察到的 結果剛好相反。其原因在於原位TEM研究的是單個粒子的行為，同時原位TEM測試是無導電劑和粘結劑，與真實的電池體系不一樣，而原位XRD研究的是大量粒子的行為，是真實的電池體系。我們將建立的快速高分辨的電化學原位X-射線衍射技術推廣到其它電池體系：（1）不同組分的富鋰錳基正極材料，（2）不同粘結劑的富鋰錳基正極材料，（3）二維過渡金屬硫化物材料及其硫複合物的鋰硫電池和（4）金屬有機框架(MOFs)/硫複合材料的鋰硫電池等。研究結果顯示該原位裝置不僅可以研究較低電壓的負極材料，而且可以研究高電壓的正極材料，同時首次原位研究了MOF在充放電過程中衍射峰的峰位移變化，即孔道結構變化。本項目的研究結果對新型電極材料製備技術和原位檢測電極材料晶相變化具有重要的理論指導意義。
