双尺度多孔形状记忆合金复合材料的超弹性与储锂特性

This project focuses on the common problems related to low cycle stability due to huge volume expansion in metal-based anode for lithium ion batteries. The composite anode composed of porous CuZnAl shape memory alloys (SMAs) with dual-scale (nano and micro scale) pores and metal anode material will be fabricated by dealloying and chemical deposition methods. The microstructure, morphology, phase interface of the composite anode will be characterized using XRD, SEM, TEM and environmental TEM, etc. The tunable fabrication of dual-scale porous CuZnAl SMAs composite anode, and the effect of dual-scale pores on superelasticity will be systematically studied. The lithium storage properties of the composite anodes, and the correlation and interaction mechanism between lithiation/delithiation behavior and stress-induced martensitic transformation will be emphatically investigated. The lithium storage performances under service condition and its decaying mechanism also will be clarified. This project will not only demonstrate a new way to improve the cycle performance of metal-based anode, but also provide the guidance for the problems of volume expansion and capacity fading of various advanced energy storage materials by the stress-induced martensitic transformation and the pore of porous SMAs.

本项目针对锂离子电池金属基负极材料的巨大体积膨胀造成循环稳定性差的共性基础科学问题开展研究。拟采用去合金化和化学沉积等方法制备出纳米和微米双尺度多孔CuZnAl记忆合金复合材料；利用XRD、SEM、TEM及环境TEM等方法对其孔隙和相分布、结构、界面结构等微观特征进行表征。主要研究双尺度多孔CuZnAl记忆合金复合材料的可控制备，及双尺度孔隙对多孔CuZnAl记忆合金超弹性的影响规律；重点研究双尺度多孔记忆合金复合材料的储锂特性，阐明应力诱发马氏体相变与嵌/脱锂行为的相互作用机理；以及研究双尺度多孔记忆合金复合材料的服役行为，揭示其储锂性能的衰退机制。本项目研究提供了一种改善金属基负极材料循环性能的全新方法，这对用多孔记忆合金的应力诱发马氏体相变和孔隙解决新型储能材料的体积膨胀和容量衰减等问题具有重要的理论价值和实际应用意义。

本项目针对锂离子电池金属基负极材料的巨大体积膨胀造成循环稳定性差的共性基础科学问题开展研究。采用造孔剂渗流取代、去合金化、化学镀和磁控溅射等方法成功制备出纳米和微米双尺度多孔Cu基和NiTi记忆合金复合材料；利用XRD、SEM、TEM及XPS等方法对其孔隙和相分布、结构、界面结构等微观特征进行表征。主要研究了双尺度多孔记忆合金复合材料的可控制备及双尺度孔隙对复合材料超弹性的影响规律；并重点研究了双尺度多孔记忆合金复合负极材料的储锂特性以及服役行为。本项目首次采用稀晶度（晶粒尺寸与孔隙壁厚度d/N）概念定量出多孔记忆合金复合材料的少晶结构，优化稀晶度可大幅度提升其超弹性、比强度和阻尼性能，随着稀晶度的增加，其最大超弹性呈线性增长，最大可达到5.5%，为目前文献报道的最高值。其次，本项目可精确调控复合材料的孔隙尺度匹配和微观组织，从而优化其室温超弹性；纳米孔隙能够约束金属负极材料的生长，并在金属负极膨胀时诱发马氏体相变；微米孔隙能够进一步缓解金属负极的膨胀，从而显著提升金属负极的循环稳定性和可逆容量。最后，研究结果发现当Sn颗粒尺寸限制在小于11.3nm时，SnO2负极材料的转化反应将完全可逆，该结果有助于提升其他转化类金属负极材料的首次库伦效率和循环稳定性。本项目研究提供了一种改善金属基负极材料循环性能的全新策略，这对于用多孔记忆合金的应力诱发马氏体相变和孔隙解决新型储能材料的体积膨胀和容量衰减等共性关键问题具有重要的理论价值和实际应用意义。