三维石墨烯稳定无机纳米量子点的导向组装及高效储锂性能研究

Anode material is one of the key components for lithium ion batteries (LIBs). Its improvement plays a key major role in improving performance of LIBs. However, the theoretical specific capacity of commercial graphitized carbon materials is only 372 mAh/g, which is far beyond the requirements of high energy consuming fields. Therefore, it is essential to design and develop an anode material with high-power and high-energy density for LIBs. In this project, we will explore an efficient strategy to prepare a novel three-dimensional (3D) graphene-inorganic quantum dots (IQDs) nanocomposite by using 3D graphene with high conductivity to stabilize the high-capacity IQDs (Diameter <5 nm). By taking advantages of the 3D graphene with high specific surface area and favorable nano-pore structures, a substantial amount of IQDs can be effectively dispersed and embed in the nanopores of 3D graphene. Combining with such characteristics of IQDs as ultrasmall nano size, high specific surface area and high surface-to-atom ratio, a series of anode materials with high-power and high-energy density for LIBs will thus be designed and fabricated. Through investigating the mechanism for the directed assembly of IQDs stabilized by 3D graphene, discussing the synergistic effect between 3D graphene and IQDs, and revealing the relationships between structure, composition and their electrochemical performance, we will lay a theoretical foundation for the application of high-efficiency LIBs in practice.

负极材料作为锂离子电池的重要组成部分，其性能的提升对整个锂离子电池性能的改进起着关键作用。然而目前商品化的石墨化碳，其理论比容量仅为372 mAh/g，远不能满足当前高能耗领域的应用需求，故设计和开发一种高比功率和高比能量的锂离子电池负极材料是当前所亟需。本项目拟提出以新型高导电的三维石墨烯来稳定高容量无机纳米量子点（直径<5 nm）的新策略，制备三维石墨烯-无机纳米量子点复合材料。利用新型三维石墨烯具有高比表面积和良好的纳米孔洞的优势，将高载量的无机纳米量子点均匀分散并导向组装嵌入到该载体的纳米孔洞内，融合无机纳米量子点具有超小尺寸、高比表面积及表面原子比的特点，设计制备一系列高比功率和高比能量的锂离子电池负极材料。研究三维石墨烯稳定无机纳米量子点的导向组装机理，探讨三维石墨烯和无机量子点的协同效应，揭示复合材料的结构、组成与电化学性能之间的联系，为高效锂离子电池的实际应用奠定理论基础。

无机纳米量子点由于其具有超高的比表面积和表面原子比，超短的电荷传输距离以及显著的量子限域效应等特性，它们在高效电化学储能领域可能具有异常的电化学性能。然而相比常规的纳米粒子，无机纳米量子点具有的超高表面能，使得其在合成时极易团聚及合成条件苛刻，造成它们异常的电化学性能难以发挥。本项目在执行期间，发展了以新型高导电的三维多孔石墨烯为载体来稳定具有高理论比容量的无机纳米量子点的新策略，调控了三维石墨烯载体的纳米孔洞和比表面积，提出了一系列低温水热或溶剂热等新方法，将氧化铁、氧化钛、氧化锡和锡等无机纳米量子点均匀分散并原位嵌入到该载体的纳米孔洞内，制备出了一系列三维石墨烯-无机纳米量子点的复合材料，如氧化铁量子点-三维石墨烯复合材料。通过控制反应条件，联合XRD、SEM、TEM等表征手段，探究了无机纳米量子点在三维石墨烯载体的孔洞内生长的机理，例如载体孔洞缺陷物理吸附金属离子和水量的控制，以及低温生长，诱导了无机纳米量子点在三维石墨烯载体孔洞内原位生长。采用各种常规和非常规的电化学测试技术，如循环伏安、交流阻抗等技术，研究了复合电极材料的充放电行为、循环稳定性、倍率性能以及电极材料的脱嵌锂过程及电子/电荷转移过程等；采用XRD、TEM等多种非原位的物理和电化学联合表征技术，研究了三维石墨烯载体和无机纳米量子点之间的协同作用机制，揭示了复合电极材料的结构、组成与电化学性能之间的内在联系，实现制备出了一系列兼具高功率密度和高能量密度且长稳定的高效锂/钠离子电池负极材料，如氧化物量子点-三维石墨烯复合负极材料、N-C@Sn@SnO2/三维石墨烯复合负极材料等。利用氧化石墨烯易组装的特性，拓展了制备致密的石墨烯基无机纳米量子点复合材料的新方法，实现了快速、高体积比容量的锂/钠离子电池负极材料。以上的研究为高效锂/钠离子电池的实际应用奠定理论基础。