《鋰離子電池負極中空鍺納米管電極的穩定性研究》是依託太原理工大學，由郭美卿擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：鋰離子電池負極中空鍺納米管電極的穩定性研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：郭美卿
- 依託單位：太原理工大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
鍺納米線陣列電極具有可利用其高質量和體積比容量以及納米線陣列結構提高電池容量的優勢，然而存在由於充放電體積膨脹和納米線結構形變引起的電極循環和結構穩定性差的缺陷。本課題組設計中空鍺納米管結構，利用中空結構緩解鍺負極材料的體積膨脹，提高電極的循環穩定性，探索納米管組成、形貌及結構與電極穩定性以及電化學性能之間的內在聯繫，揭示中空納米管結構提高鍺電極穩定性的作用機制。在此基礎上，為提高鍺納米管陣列電極的結構與界面穩定性，設計高分子納米隔膜包覆中空鍺納米管結構，探索高分子納米隔膜厚度、凝聚態結構、玻璃化溫度等對電極充放電過程中體積演變、應力變化、界面相容性以及電池電化學性能之間的內在聯繫，並通過線上觀測電極體積、形貌/應力分布動態變化，結合有限元模擬計算，揭示核殼包覆結構實現電極穩定化的機理，為高容量、高穩定性鋰離子電池的發展與設計提供理論依據和設計方法。
結題摘要
作為鋰離子電池負極材料，鍺納米線陣列電極能夠提高電池容量，然而存在鍺鋰合金化過程中體積膨脹引起的充放電循環穩定性差及納米線本身結構穩定性差的缺陷。本項目圍繞鍺納米線電極的穩定化開展實驗和理論模擬研究。（1）利用模板內化學氣相沉積法結合高溫退火處理製備鍺納米管負極，並提出了利用柯肯達爾效應製備鍺納米管的反應機理。循環100次之後，可逆容量在800 mAhg-1，庫倫效率均保持在99%以上，循環性能遠高於納米線負極，表明納米管結構能夠提高負極穩定性，並提出了納米管結構提高負極穩定性的機理，主要與納米管空腔結構緩解體積膨脹相關。（2）在納米管負極基礎上，利用微擴孔和原位浸潤高分子溶液的方法製備了PEO包覆鍺納米管結構負極，循環100次之後，可逆容量約在1000 mAhg-1，庫倫效率均保持在99%以上，循環性能進一步改進，並提出了聚合物提高納米管穩定性的機理，主要跟聚合物提高SEI膜的穩定性和聚合物柔性緩解體積膨脹有關。（3）基於納米球負極材料，考慮實心球與空心球兩種情況，建立鋰離子電池充放電過程中濃度、位移等方程，模擬了鋰離子電池充放電過程中負極材料應力分布變化。結果表明空心球的徑向和環向應力遠低於實心球，在循環過程中應力不易達到強度極限而產生裂紋以致失效，極大地降低了負極材料充電過程中的應力破壞風險，理論證實了內部空腔結構具有更好的力學穩定性。
