锂离子电池金属基负极材料的多相多尺度结构与性能

This project focuses on the basic problems related to the conflict between high capacity and cycle ability in metal-based anode materials for lithium ion batteries. Firstly, this study concerns on the stress-strain effects due to the interaction between lithium and the high capacity multi-scaled multi-phase metallic based materials, as well as the mechanism of interaction among different phases. Secondly, the study focuses on the interface effects of the multi-scaled multi-phase materials on the electrolyte. The relationships between the interface effects and capacity, cycleability and diffusion dynamics of the electrodes will be also investigated. On this basis, the lithiation-delithiation mechanism of the multi-scaled multi-phase anode materials will be understood, and their kinetic properties and the electro polarization during that lithium ions transport will be revealed. The above studies will establish theoretical basis for realizing a good balance among high capacity, excellent cycleability and low initial irreversible capacity in the metallic-based anode materials by tuning their mutli-scaled mutli-phases structure. This research will also found the base for develop new type high performance metal-based anode materials with cost-effective preparation methods.

本项目针对锂离子电池金属基负极材料的高容量与循环稳定性相互矛盾的内在基础科学问题开展研究。通过对高容量金属基材料与锂之间相互作用的应力应变效应，多相体系中各物相之间的嵌锂-脱锂的交互作用机制，多相多尺度复合结构与电解液的界面作用，以及他们对电极容量、循环稳定性和扩散动力学的影响等方面的研究，掌握多相多尺度结构负极材料的嵌锂-脱锂机制，揭示锂离子在多相多尺度材料中传输的扩散动力学和电化学极化规律，建立相关的理论模型；并以理论研究为基础和指导，优化复合材料中多相和多尺度结构来调控金属基负极的结构稳定性、嵌锂/脱锂动力学及容量释放，实现电极材料中高容量、高循环稳定性和低首次不可逆容量等性能的统一，研制出若干种具有自主知识产权的新型高性能金属基负极材料及其高效、低成本制备方法。本项目研究对于深化认识各种金属基复合结构负极材料的嵌锂/脱锂特性均有普遍意义，具有重要的学术价值和良好的应用前景。

本项目针对锂离子电池金属基负极材料的高容量与循环稳定性相互矛盾的内在基础科学问题开展研究。以高储锂容量的Sn、Si基合金、过渡金属氧化物为主要活性物质，采用多场耦合作用、化学合成、磁控溅射等方法高效制备具有多相多尺度复合结构的新型高性能金属基负极材料，重点考察金属基负极材料的结构调控与性能优化及其相关机理，主要取得了以下几方面重要进展：（1）确定超弹性基体（NiTi，Ti）与多相复合结构对嵌锂活性相体积效应的容让作用，从而提高Sn、SnO2、Si薄膜负极的循环性能。（2）设计出具有核壳结构的Sn@C、Sb@C等材料体系，通过原位TEM 等手段揭示活性物质相Sn、Sb及其它相的尺度、形态、结构稳定性、表面/界面性质等对复合结构电极电化学性能的影响规律。（3）发展简易、高效新方法实现SnO2负极的多尺度调控，设计高密度多尺度晶界来抑制嵌锂SnO2负极中的Sn相粗化，实现SnO2负极转化反应的高可逆性和极高首次库仑效率（86.2-95.5%）。（4）开发具有不同特殊纳米结构的新型负极材料体系（过渡金属氧化物、硫化物、有机共轭羰基材料），确定新型金属化合物的尺度、形态、结构稳定性、表面/界面性质等对其储锂电化学行为的影响规律。（5）以自主发明的等离子球磨为主要结构调控方法，获得同时具备高容量、高循环稳定性和低首次不可逆容量等性能的Si、Sn基负极材料新体系。项目研究成果获国家发明专利10项，并在Chem. Soc. Rev.，Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Adv. Energy Mater., Angew. Chem. Int. Ed., Nano Letters，Adv. Funct. Mater., J. Mater. Chem. A , J. Power Sources等材料与能源领域重要期刊发表论文110余篇，其中IF大于10的论文29篇。所发表论文已被SCI他引4100余次。有25篇论文入选ESI高被引论文，3篇论文被评为热点论文。项目所开发并改进的新型材料制备方法—等离子体辅助球磨技术及装备以实现产业化推广。本项目研究对于深化认识各种金属基复合结构负极材料的嵌锂/脱锂特性及其高效宏量制备技术开发均有普遍意义，具有重要的学术价值和良好的应用前景。