镍微片包覆铁基纳米颗粒的可控构筑及其储能特性研究

Fe-based nanocrystals are one of promising anode candidates for electrochemical energy storage applications since they are abundant, cheap and environmentally benign. Although great progress has been achieved in the improvement of Fe-based electrodes with smart carbon modifications, the practical application of such hybrid materials is still hindered by issues like tedious fabrication procedures, high energy consumption, etc. In this regard, this proposal aims to construct a novel Fe-based hybrid configuration by using ultra-thin and robust Ni nanofilm modification so as to improve the comprehensive behaviors of electrochemical energy-storage devices, achieving both large energy density and high power density. For details, the functionalized hybrid system assembled by Fe2O3 nanoparticles and thin Ni film matrix (Fe2O3@Ni) can be realized via a low-cost, facile and controllable in-situ electrochemical reduction method. The heterojunction interactions between Fe2O3 nanoparticles and metal layers as well as the evolution procedures of flexible Ni matrix will be carefully studied, eventually uncovering the general formation mechanism of metallic films. In addition, we intend to systematically investigate the relationship between the hybrid structure and its energy-storage performance in hybrid devices. Particularly, the research on electrode reaction kinetics will be focused by analyzing the electrons conduction and ions transportation properties in Fe2O3@Ni composite. Also, the deep “structure-performance” relationship will be disclosed by studies towards heterojuction/interface features and nanostructures of Fe2O3@Ni hybrid, on basis of which we can well adjust significant structure parameters like Ni nanofilm thickness, the Ni/Fe2O3 mass ratio etc. For further practical applications, we intend to achieve a hybrid electrochemical energy-storage device with both high energy and power densities, by coupling optimized Fe2O3@Ni hybrid anode with proper cathodes. Our project may provide important scientific evidences for technological and fundamental researches on Fe-based nanomaterials in the electrochemical energy storage field.

因储量丰富、价格低和污染小等优势，铁基纳米晶是一类颇有商用竞争力的储能负极材料。利用碳修饰改性铁基纳米材料已取得较大进展，但仍存在加工繁琐和能耗高等问题。基于此，本项目拟构筑一种超薄金属镍薄膜改性铁基材料的新型纳米结构，以提升储能器件的能量/功率密度等综合性能。具体研究工作如下：通过简单易控的电化学原位还原法，制备镍包覆铁基纳米颗粒(Fe2O3@Ni)的复合框架结构，探究其异质结的层级间作用和镍薄膜的形成机制，阐明该金属薄膜的一般性生长规律。系统研究电极结构与储能特性之间的关系，结合材料的电子传导与离子输运特性分析电极的反应动力学，揭示其界面特性和微观结构与储能反应之间的构效关系；调控金属薄膜的厚度、核壳质量比等结构参数，以优化的Fe2O3@Ni结构为负极，实现大能量/功率密度的混合型储能器件。本项目的实施可为铁基纳米材料储能应用的基础研究和关键技术发展提供重要的科学依据。

本项目旨在探究异质界面的演化生长机制，实现铁基材料复合结构的可控构筑；并从反应动力学的角度研究铁基材料电化学储能机制，揭示其微观结构与储能特性之间的构效关系，进而提出一些铁基材料修饰改性的可行性方案。在该项目的支持下，我们设计合成了一系列铁基复合纳米结构，并将其应用于电化学储能器件，具体工作包括：（1）以化学气相还原法成功实现了碳壳包覆金属Fe纳米颗粒的复合结构，通过对复合结构的生长机理及不同碳壳成形的关键影响因素的探究，得出了碳包覆Fe颗粒可控构筑的条件；研究了不同Fe/C复合结构的电化学反应过程，找出了影响其电化学储能性能的关键参数。（2）巧妙设计了碳包覆其他铁基材料（包括Fe3O4，FeF3）的复合结构，通过对其演化过程的探究找到了影响复合材料生长的关键因素，掌握了复合结构可控构筑的手段；并进一步地探究了Fe3O4/C及FeF3/C的电化学反应过程，明确了复合材料的微观结构与储能特性之间的构效关系。（3）实现了碳包覆FeS2结构（FeS2@C）的可控构筑，以非原位XRD、SEM等手段探究了FeS2@C复合结构在电化学反应过程中的相变过程，明确了FeS2@C的电化学反应机制及导致其容量衰减的主要诱因，提出了改善FeS2材料电化学储能特性的相关手段。综上所述，通过对铁基材料复合结构生长/演化过程的分析及其在电化学反应过程中的电子传导、离子输运特性的探究，揭示了该类材料在电化学储能应用中的相关科学问题。此外，本项目还从绿色环保的角度出发，选用廉价原材料或简单制备手段设计开发了一些新型碳基/硫基复合材料，并分析了其在电化学储能过程的反应机制，提出了提升碳基/硫基材料电化学性能的方法。这些研究工作的积累将为铁基材料的进一步发展应用及新型全电池体系的研发设计提供了重要的参考价值。