《碳复合高效协同锂电池负极材料》

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作为最有前景的储能设备,高能量密度、高功率以及长寿命的下一代锂离子电池的发展将进一步打开锂电池应用的更广阔空间,从而满足社会发展对高效绿色能源储存的需求,对低碳可持续发展相关的能源和环境领域都有重要意义。

该项目紧密围绕解决高容量锂离子电池负极材料循环过程中的剧烈体积变化引起容量衰减这个关键科学问题展开。研究对象主要聚焦在石墨烯纳米片负载片状高容量锂离子电池负极材料(过渡金属氧化物为主,金属硫化物为辅)形成的“三明治”片片负载复合电极材料,以及碳纳米管完全包覆的高容量锂电池负极材料(锡基材料为主,硅基和过渡金属基材料为辅)。总体研究思路是,在探索锂离子的插入、析出、扩散和储存的动力学过程和机理的基础上,通过石墨烯片片负载复合结构的两种组分的最优结构相亲性以及碳纳米管完全包覆对填充高容量负极材料的限域作用和内部剩余体积空间自然缓解储锂体积膨胀的优势,发挥两种组分最大协同作用,搭建高效输运锂离子和传导电子的电极界面,从而较为成功地解决锂离子电池高容量负极材料在循环过程中由于锂的脱嵌所导致的体积变化引起的非本征衰退的关键科学问题。

按照解决该问题学术思路的发展过程,该项目通过两部分内容来阐述有效解决锂离子电池负极材料上述问题的方法:

(1)利用改良石墨烯纳米片材料,通过表面基团的功能化,在其表面引入与石墨烯纳米片结构具有最大亲和协同作用的纳米片形貌的金属基电极材料,形成片片相隔复合电极材料,这一石墨烯复合材料的“面面”结合,相对常见的石墨烯负载纳米粒子的“点面”结合,能够发挥更好的协同功效,即可防止石墨烯薄片的团聚,保持其少层结构带来的高电导、大比表面等优点,又可高效提高负载高容量金属基电极材料耐受大体积膨胀的结构稳定性。(Nanoscale,2011,他引215次;Journal of Materials Chemistry,2010,他引174次;ACS Applied Materials& Interfaces,2013,他引125次;Nanoscale,2014,他引74次;以上4篇均入选ESI高被引论文;Journal of Materials Chemistry,2011,他引69次);

(2)通过将高容量负极材料引入到碳纳米管的管腔内部,获得碳纳米管完全包覆的复合材料体系,通过碳管的限域作用和碳管内部的空心体积空间来自然缓解电极材料储存大量锂离子时伴随的大体积膨胀,从而防止电极结构的粉化,提高其在反复充放电过程中的结构稳定性,并提出了相关锂离子插入、析出和储存的机理。(ACS Nano,2011,他引144次,该论文入选过ESI高被引论文;Advanced Functional Materials,2013,他引46次;Journal of Materials Chemistry,2011,他引87次)。

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