《高性能鋰電池材料的設計合成及同步輻射微結構研究》是依託北京航空航天大學，由郭林擔任項目負責人的聯合基金項目。
基本介紹
- 中文名：高性能鋰電池材料的設計合成及同步輻射微結構研究
- 依託單位：北京航空航天大學
- 項目負責人：郭林
- 項目類別：聯合基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
本項目是結契約步輻射技術，材料、化學與物理等學科的交叉性課題，用以解決能源中的基本科學問題和發展功能材料。本項目將發展模板法、微乳液法、水熱法、逐層沉澱法等合成方法，合成介孔和核殼結構的層狀金屬氧化物等優異性能的鋰電池納米電極材料。針對目前常規測試手段無法原位研究充放電過程中電池內部的物質與能源轉化的過程的不足，利用同步輻射的原位表征技術，實現鋰離子電池充放電過程的原位檢測。在常規微結構的表征和電池性能測試的基礎上，利用同步輻射原位技術，對製備的電極材料進行原位微結構測試，提供電極材料在充放電過程中結構變化與功能的關係的最直接數據，揭示電池的反應機理，用於指導新型電極材料的合成，並通過理論模擬，理解材料－結構－性能間的內在關係，為高性能納米電極材料的設計合成提供理論依據，製備高性能的鋰電池，為社會的可持續發展做貢獻。
結題摘要
(1)鋰離子電池負極材料方面，SnO2和Fe2O3因具有比容量高、原材料豐富、易於低成本合成等優點，是未來鋰離子電池負極材料發展方向的代表。我們通過設計合成多級結構及改性納米顆粒，製備出包括SnO2小八面體自組裝微米球、SnO2空心球、花狀SnO2、多孔SnO2立方體、多孔Fe2O3多級材料在內的納米負極材料。納米結構縮短了電子和鋰離子的傳輸路徑，增加了電極材料與電解液的接觸面積；空心結構減小了鋰離子嵌入/脫出過程中所產生的應力，降低了電極的粉碎化程度，從而改善了電池的循環壽命。我們將具有高電導率和良好延展性的石墨烯與SnO2和Fe2O3複合，製備了一系列石墨烯複合納米材料，如SnO2/石墨烯複合材料、柔性SnO2/石墨烯複合材料、SnO2/氮摻雜石墨烯複合材料、三維柔性SnO2/石墨烯複合材料、α-Fe2O3/石墨烯複合材料、石墨烯包覆的Fe2O3核殼結構複合材料等，不僅可以更加有效地緩衝電極材料在充放電過程中由於體積劇烈變化而產生的張力，而且可以改善電極的導電性，從而大大提高電池的循環和倍率性能。此外，我們還將石墨烯複合不同形貌的過渡金屬氧化物或硫化物，包括碗狀Ni3S2/石墨烯複合物、CoO空心立方體/石墨烯複合物、MnS/石墨烯複合材料、GeO2/石墨烯複合材料等，其性能遠遠高於純的過渡金屬氧化物或硫化物。同時，我們利用X射線精細結構（XAFS）研究了SnO2、Fe2O3與空心CoO材料在充放電過程中的價態、配位數及微結構的變化，對其在儲鋰性能上的優越性進行了解釋。(2)鋰離子電池正極材料方面，我們加強了投入精力，取得了一系列成果，包括：多孔結構的VO2納米線/碳納米管複合物、多級結構三維摺疊燈籠狀LiMnPO4、中空多孔LiMn2O4微立方體、鎂化α-MoO3、碳包覆的MnO@Mn3N2核殼結構複合材料、LiFePO4微米球、多孔微球狀LiFePO4/石墨烯納米複合物、碳包覆LiFePO4多級納米片微球、蔗糖輔助的LiFePO4/石墨烯複合材料等正極材料的製備。所製備的正極材料方法簡便，性能優異，不僅具有工業化批量生產的潛力，而且對未來鋰離子電池正極材料的設計具有重要的理論指導和借鑑意義。(3)鈉離子電池經濟環保，是一種很有前景的儲能方式。我們製備了三維蜘蛛網狀Na2Ti3O7納米材料和胡桃醌/石墨烯複合物做為新型鈉離子電池電極材料，具有廣闊的套用前景。
