雙尺度多孔形狀記憶合金複合材料的超彈性與儲鋰特性

《雙尺度多孔形狀記憶合金複合材料的超彈性與儲鋰特性》是依託華南理工大學，由袁斌擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：雙尺度多孔形狀記憶合金複合材料的超彈性與儲鋰特性
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：袁斌
• 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巨大體積膨脹造成循環穩定性差的共性基礎科學問題開展研究。擬採用去合金化和化學沉積等方法製備出納米和微米雙尺度多孔CuZnAl記憶合金複合材料；利用XRD、SEM、TEM及環境TEM等方法對其孔隙和相分布、結構、界面結構等微觀特徵進行表征。主要研究雙尺度多孔CuZnAl記憶合金複合材料的可控制備，及雙尺度孔隙對多孔CuZnAl記憶合金超彈性的影響規律；重點研究雙尺度多孔記憶合金複合材料的儲鋰特性，闡明應力誘發馬氏體相變與嵌/脫鋰行為的相互作用機理；以及研究雙尺度多孔記憶合金複合材料的服役行為，揭示其儲鋰性能的衰退機制。本項目研究提供了一種改善金屬基負極材料循環性能的全新方法，這對用多孔記憶合金的應力誘發馬氏體相變和孔隙解決新型儲能材料的體積膨脹和容量衰減等問題具有重要的理論價值和實際套用意義。

結題摘要

本項目針對鋰離子電池金屬基負極材料的巨大體積膨脹造成循環穩定性差的共性基礎科學問題開展研究。採用造孔劑滲流取代、去合金化、化學鍍和磁控濺射等方法成功製備出納米和微米雙尺度多孔Cu基和NiTi記憶合金複合材料；利用XRD、SEM、TEM及XPS等方法對其孔隙和相分布、結構、界面結構等微觀特徵進行表征。主要研究了雙尺度多孔記憶合金複合材料的可控制備及雙尺度孔隙對複合材料超彈性的影響規律；並重點研究了雙尺度多孔記憶合金複合負極材料的儲鋰特性以及服役行為。本項目首次採用稀晶度（晶粒尺寸與孔隙壁厚度d/N）概念定量出多孔記憶合金複合材料的少晶結構，最佳化稀晶度可大幅度提升其超彈性、比強度和阻尼性能，隨著稀晶度的增加，其最大超彈性呈線性增長，最大可達到5.5%，為目前文獻報導的最高值。其次，本項目可精確調控複合材料的孔隙尺度匹配和微觀組織，從而最佳化其室溫超彈性；納米孔隙能夠約束金屬負極材料的生長，並在金屬負極膨脹時誘發馬氏體相變；微米孔隙能夠進一步緩解金屬負極的膨脹，從而顯著提升金屬負極的循環穩定性和可逆容量。最後，研究結果發現當Sn顆粒尺寸限制在小於11.3nm時，SnO2負極材料的轉化反應將完全可逆，該結果有助於提升其他轉化類金屬負極材料的首次庫倫效率和循環穩定性。本項目研究提供了一種改善金屬基負極材料循環性能的全新策略，這對於用多孔記憶合金的應力誘發馬氏體相變和孔隙解決新型儲能材料的體積膨脹和容量衰減等共性關鍵問題具有重要的理論價值和實際套用意義。