鋰離子電池金屬基負極材料的多相多尺度結構與性能

《鋰離子電池金屬基負極材料的多相多尺度結構與性能》是依託華南理工大學，由朱敏擔任項目負責人的重點項目。

基本介紹

• 中文名：鋰離子電池金屬基負極材料的多相多尺度結構與性能
• 項目類別：重點項目
• 項目負責人：朱敏
• 依託單位：華南理工大學

項目摘要

本項目針對鋰離子電池金屬基負極材料的高容量與循環穩定性相互矛盾的內在基礎科學問題開展研究。通過對高容量金屬基材料與鋰之間相互作用的應力應變效應，多相體系中各物相之間的嵌鋰-脫鋰的互動作用機制，多相多尺度複合結構與電解液的界面作用，以及他們對電極容量、循環穩定性和擴散動力學的影響等方面的研究，掌握多相多尺度結構負極材料的嵌鋰-脫鋰機制，揭示鋰離子在多相多尺度材料中傳輸的擴散動力學和電化學極化規律，建立相關的理論模型；並以理論研究為基礎和指導，最佳化複合材料中多相和多尺度結構來調控金屬基負極的結構穩定性、嵌鋰/脫鋰動力學及容量釋放，實現電極材料中高容量、高循環穩定性和低首次不可逆容量等性能的統一，研製出若干種具有自主智慧財產權的新型高性能金屬基負極材料及其高效、低成本製備方法。本項目研究對於深化認識各種金屬基複合結構負極材料的嵌鋰/脫鋰特性均有普遍意義，具有重要的學術價值和良好的套用前景。

結題摘要

本項目針對鋰離子電池金屬基負極材料的高容量與循環穩定性相互矛盾的內在基礎科學問題開展研究。以高儲鋰容量的Sn、Si基合金、過渡金屬氧化物為主要活性物質，採用多場耦合作用、化學合成、磁控濺射等方法高效製備具有多相多尺度複合結構的新型高性能金屬基負極材料，重點考察金屬基負極材料的結構調控與性能最佳化及其相關機理，主要取得了以下幾方面重要進展：（1）確定超彈性基體（NiTi，Ti）與多相複合結構對嵌鋰活性相體積效應的容讓作用，從而提高Sn、SnO2、Si薄膜負極的循環性能。（2）設計出具有核殼結構的Sn@C、Sb@C等材料體系，通過原位TEM 等手段揭示活性物質相Sn、Sb及其它相的尺度、形態、結構穩定性、表面/界面性質等對複合結構電極電化學性能的影響規律。（3）發展簡易、高效新方法實現SnO2負極的多尺度調控，設計高密度多尺度晶界來抑制嵌鋰SnO2負極中的Sn相粗化，實現SnO2負極轉化反應的高可逆性和極高首次庫侖效率（86.2-95.5%）。（4）開發具有不同特殊納米結構的新型負極材料體系（過渡金屬氧化物、硫化物、有機共軛羰基材料），確定新型金屬化合物的尺度、形態、結構穩定性、表面/界面性質等對其儲鋰電化學行為的影響規律。（5）以自主發明的等離子球磨為主要結構調控方法，獲得同時具備高容量、高循環穩定性和低首次不可逆容量等性能的Si、Sn基負極材料新體系。項目研究成果獲國家發明專利10項，並在Chem. Soc. Rev.，Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Nano Letters，Adv. Funct. Mater., J. Mater. Chem. A , J. Power Sources等材料與能源領域重要期刊發表論文110餘篇，其中IF大於10的論文29篇。所發表論文已被SCI他引4100餘次。有25篇論文入選ESI高被引論文，3篇論文被評為熱點論文。項目所開發並改進的新型材料製備方法—電漿輔助球磨技術及裝備以實現產業化推廣。本項目研究對於深化認識各種金屬基複合結構負極材料的嵌鋰/脫鋰特性及其高效宏量製備技術開發均有普遍意義，具有重要的學術價值和良好的套用前景。