《殼－核結構納米複合儲鋰負極材料的研究》是依託武漢大學，由曹余良擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：殼－核結構納米複合儲鋰負極材料的研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：曹余良
- 依託單位：武漢大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
發展高比能量鋰離子電池一直是動力電池和儲能電源追求的重要目標，而發展高比能負極材料是提高電池性能的關鍵因素之一。目前所探索的替碳合金材料（如Sn、Sb、Si等），雖然理論容量大，但由於存在較大的體積膨脹，循環性能差。因此，拓展思路和探索新結構是改善合金負極材料電化學性能的重要途徑。本課題提出構建納米複合殼－核結構作為負極材料的新構想，在前期實驗基礎上，選擇與嵌鋰合金具有較強相互作用的惰性核作為基底，在其表面包覆具有納米尺度的合金層，並採用導電材料構成外殼，起集流和緩解膨脹的作用，通過選材、製備技術和表面改性等的最佳化，進一步提升材料的比容量和循環性能，同時研究這種結構所涉及的套用基礎問題，弄清材料、結構和性能的相關性。本課題的特色在於納米複合殼－核結構兼顧薄膜化和納米化的優勢，由此可能構建新類型高性能的負極材料，可為高比能鋰離子電池的發展提供具有潛力的可選材料。
結題摘要
基於合金化和轉化反應的高容量負極材料是提高電池比能量的關鍵因素之一。而目前這類負極材料在充放電過程中都存在體積膨脹問題，導致材料粉化，影響材料的循環性能。本課題針對這類涉及較大體積膨脹的材料體系所遇到的問題，提出採用殼核結構來抑制和緩解體積膨脹的影響。在四年里，我們研究了複合殼－核結構合成方法和可能機制，探索了不同核材料、尺寸大小、外層殼的結構和形貌對電化學性能的影響，弄清核心和外殼對性能影響的作用機制，在結構上闡明這種殼－核結構對提高電化學性能的基本原理，構建高容量、高穩定的新型負極材料體系，並探討了其在不燃電解液中的電化學兼容性，開拓相關材料和特殊結構在鋰離子電池中的套用。主要結果如下： （1）針對基於合金化負極循環性能不理想的問題，本課題提出了一種製備多層核-殼結構複合物負極的新方法，所獲得核-殼結構材料最大限度地避免了材料的粉化或團聚，保證了材料的導電接觸。實驗結果表明，內層惰性基質和外層石墨的協同作用能有效緩衝活性負極在嵌鋰過程中的體積膨脹，保證活性顆粒之間良好的電接觸，維持複合物結構的穩定，從而極大地改善了活性單質負極的電化學性能。 （2）SiC-Sn-C複合物電極的最高儲鋰容量達671 mAh g-1，300周循環後，每周的容量衰減率僅為0.066%，表現出的優異的電化學性能；所製備的核殼結構的SnO2-SiC/C複合物負極材料能實現完全可逆的轉換反應和合金化反應，總反應涉及8.4個電子的轉移，釋放出接近理論容量的1451 mAh g-1¬的可逆容量，並具有非常優異的循環性能和倍率性能。並將這一結構材料用於儲鈉負極研究，所製備的核殼結構SiC-Sb-Cu-C複合物在100 mA g-1電流密度下循環100周后的可逆比容量高達595mAh g-1，即使以800 mA g-1的大電流充放電，該電極仍能具有511mA g-1的可逆儲鈉容量，表現出了優異的循環及倍率性能。 （3）發展了這類殼核負極材料在不燃電解液中的套用，所製備的殼核SiC-SiO-C材料在DMMP和TMP電解液中可逆容量達到1000mAh/g，且循環100周后的容量保持率分別為91.4%和88.2%，循環過程庫侖效率在98-99%之間，非常接近碳酸酯類電解液中的循環穩定性，表現出優異的電化學兼容性，為發展高安全非燃鋰離子電池體系提供了新的思路.
