掺杂石墨对低温锂离子电池性能提高与基于原位透射电镜的反应机制研究

The poor low temperature performance of LIBs severely hinder their practical applications. Furthermore, the storage mechanism of LIBs at low temperature is controversial. In this proposal, we aim to explore the storage mechanism of nitrogen/phosphorus doped graphite as anode materials of LIBs at low-temperature via in situ transmission electron microscopy. We intends to concentrate on: (1) uncovering the effect of nitrogen/phosphorus doping of graphite to the interaction of graphite and lithium ion and Rdiff, Rct and RSEI; (2) revealing the reaction mechanism of the electrolyte and electrode materials at low temperature, and to provide a theoretical guideline to design electrode materials with excellent electrochemical performance at low temperature; (3) facilitating in situ TEM on real-time visualization of electrochemical reaction at low temperature.

锂离子电池在低温下的性能不足制约其实际应用，影响锂离子电池低温性能的因素也有待进一步的研究。本申请拟通过低温原位透射电镜研究元素掺杂（氮、磷）提高石墨低温锂离子电池性能的作用机制，为提高石墨的低温锂电性能提供理论依据。（1）揭示低温下氮、磷等元素掺杂对石墨与锂离子作用以关系；低温下石墨表面氮、磷缺陷对电解液与石墨的界面处锂离子的嵌入、脱出的影响；表面氮、磷缺陷对SEI膜的影响；（2）揭示低温下掺杂石墨的氮、磷缺陷对锂离子在石墨内部扩散的影响，阐明掺杂石墨与低温电池性能的作用机制和构效关系；为设计具有优异低温性能的锂离子电池电极材料提供理论依据；（3）发展原位透射电镜在锂离子电池低温性能方面的应用，为研究锂离子低温储能机制提供新的方法。

本项目围绕着制备具有优异低温性能的锂离子电池负极材料，并探索电极材料的储能机制这一主要目标，合成了一系列掺杂石墨烯基的复合材料（SnO2/GN、Si@GN）、MXene基复合材料（Fe-Ti3C2Tx、FeOx/Ti3C2Tx）、金属合金（NP Cu-Fe-Al合金）以及硅碳复合材料（硅碳米线团@碳、扁豆型硅碳复合材料）等，并将其作为锂离子电池负极材料在室温、低温工况下的电池性能进行了研究；通过透射电子显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射谱、X射线光电子能谱、红外光谱、拉曼光谱等对复合材料的结构和化学组成进行了表征，并通过原位透射电镜从纳米尺度实时观测了材料在充放电过程中的结构、形貌变化，结合第一性原理计算探索了这一系列复合材料中元素掺杂、碳包覆、复合等方法对复合材料的室温、低温储锂性能的影响，阐明材料结构-组成-性能之间的关系，探索复合材料的构效关系，为进一步制备高性能的锂离子电池负极材料提供实验策略和理论指导。例如，氮元素掺杂能有效地提高碳材料的储锂性能，而金属Fe元素掺杂则大大提高了Ti3C2Tx的低温储锂性能。在项目的资助下，项目负责人共发表SCI论文11篇，其中项目负责人以第一作者或通讯作者身份在国际知名期刊Nano Energy, Carbon, Chem. Eng. J., ACS Appl. Mater. Interfaces, J. Mater. Sci. Technol.等发表论文。