高性能锂电池材料的设计合成及同步辐射微结构研究

本项目是结合同步辐射技术，材料、化学与物理等学科的交叉性课题，用以解决能源中的基本科学问题和发展功能材料。本项目将发展模板法、微乳液法、水热法、逐层沉淀法等合成方法，合成介孔和核壳结构的层状金属氧化物等优异性能的锂电池纳米电极材料。针对目前常规测试手段无法原位研究充放电过程中电池内部的物质与能源转化的过程的不足，利用同步辐射的原位表征技术，实现锂离子电池充放电过程的原位检测。在常规微结构的表征和电池性能测试的基础上，利用同步辐射原位技术，对制备的电极材料进行原位微结构测试，提供电极材料在充放电过程中结构变化与功能的关系的最直接数据，揭示电池的反应机理，用于指导新型电极材料的合成，并通过理论模拟，理解材料－结构－性能间的内在关系，为高性能纳米电极材料的设计合成提供理论依据，制备高性能的锂电池，为社会的可持续发展做贡献。

(1)锂离子电池负极材料方面，SnO2和Fe2O3因具有比容量高、原材料丰富、易于低成本合成等优点，是未来锂离子电池负极材料发展方向的代表。我们通过设计合成多级结构及改性纳米颗粒，制备出包括SnO2小八面体自组装微米球、SnO2空心球、花状SnO2、多孔SnO2立方体、多孔Fe2O3多级材料在内的纳米负极材料。纳米结构缩短了电子和锂离子的传输路径，增加了电极材料与电解液的接触面积；空心结构减小了锂离子嵌入/脱出过程中所产生的应力，降低了电极的粉碎化程度，从而改善了电池的循环寿命。我们将具有高电导率和良好延展性的石墨烯与SnO2和Fe2O3复合，制备了一系列石墨烯复合纳米材料，如SnO2/石墨烯复合材料、柔性SnO2/石墨烯复合材料、SnO2/氮掺杂石墨烯复合材料、三维柔性SnO2/石墨烯复合材料、α-Fe2O3/石墨烯复合材料、石墨烯包覆的Fe2O3核壳结构复合材料等，不仅可以更加有效地缓冲电极材料在充放电过程中由于体积剧烈变化而产生的张力，而且可以改善电极的导电性，从而大大提高电池的循环和倍率性能。此外，我们还将石墨烯复合不同形貌的过渡金属氧化物或硫化物，包括碗状Ni3S2/石墨烯复合物、CoO空心立方体/石墨烯复合物、MnS/石墨烯复合材料、GeO2/石墨烯复合材料等，其性能远远高于纯的过渡金属氧化物或硫化物。同时，我们利用X射线精细结构（XAFS）研究了SnO2、Fe2O3与空心CoO材料在充放电过程中的价态、配位数及微结构的变化，对其在储锂性能上的优越性进行了解释。(2)锂离子电池正极材料方面，我们加强了投入精力，取得了一系列成果，包括：多孔结构的VO2纳米线/碳纳米管复合物、多级结构三维折叠灯笼状LiMnPO4、中空多孔LiMn2O4微立方体、镁化α-MoO3、碳包覆的MnO@Mn3N2核壳结构复合材料、LiFePO4微米球、多孔微球状LiFePO4/石墨烯纳米复合物、碳包覆LiFePO4多级纳米片微球、蔗糖辅助的LiFePO4/石墨烯复合材料等正极材料的制备。所制备的正极材料方法简便，性能优异，不仅具有工业化批量生产的潜力，而且对未来锂离子电池正极材料的设计具有重要的理论指导和借鉴意义。(3)钠离子电池经济环保，是一种很有前景的储能方式。我们制备了三维蜘蛛网状Na2Ti3O7纳米材料和胡桃醌/石墨烯复合物做为新型钠离子电池电极材料，具有广阔的应用前景。