新颖多壳层同心球状氧化锡/锡与石墨碳球复合结构的设计合成及电化学储能研究

In the research of anode materials for the modern secondary lithium ion batteries, one important topic is to design and synthesize the low-cost composite materials with high energy density. Not only high grammetric energy density is required, but also is the high volumetric energy density. Focused on this, we are planning to design and fabricate a novel concentric SnO2/Sn@carbon composite structure with multiple layers. The achievement of the structure is based on the strategy with the concentric silica hollow nanospheres as sacrificial template. Elaborately controlling the deposition of tin oxide, the polymerization of glucose and the calcinations in inert atmosphere will be carried out subsequently. The final product is supposed to be characteristic of several merits, e.g. controllable carbon thickness, adjustable mass ratio between SnO2/Sn and graphite carbon, inter-distributed carbon and SnO2/Sn layers, encapsulation of SnO2 or Sn in the graphite carbon layers, high space occupation of SnO2/Sn and carbon, close-packed tendency for the spheric shapes in assembling the electrode material. Presumably, high volumetric loading of the composite structure is highly expected, and agglomeration and pulverization will be effectively avoided in lithium storage. In the meantime, the graphite carbon spheres will construct efficient conducting networks by self-assembly. So it is rationally estimated that, the SnO2/Sn@carbon concentric composite structure will not only demonstrate excellent energy/power density per mass unit, but also possess greatly enhanced energy/power density per volume unit.

在现代二次锂离子电池阳极材料的研制中，一个重要的研究内容就是设计合成高能量密度低成本的复合材料，不但要提高单位质量的能量密度，而且也要力争在单位体积能量密度的提升上取得进展。针对此目的，申请人计划设计合成一种新颖的具有同心球特征的氧化锡/锡@石墨碳多壳层复合结构，该产物以氧化硅同心球多壳层结构为牺牲模板，通过调节氧化锡的沉积和葡萄糖的聚合，在惰性气氛烧结后得到。该产物具有石墨碳层厚度可控、氧化锡/金属锡与石墨碳的质量比例可调、石墨碳层与氧化锡或金属锡相互交错层层分布且相互包覆、导电介质和储锂活性物质空间利用率高、球体外形利于电极封装中密堆积的特点。故而预计在电化学储锂中，储锂活性物质氧化锡或者金属锡单位空间负载量大并可以有效避免团聚、粉碎、失活，同时石墨碳球通过自组装可以组建高效的导电网络，据此判断所得产物不但具有良好的单位质量的能量/功率密度，而且也将拥有增强的单位体积能量/功率密度。

在电化学储能中，一个非常重要的课题就是，如何提高负极材料的空间利用率，提高电极材料的振实密度和压实密度，从而提高整个电源系统的能量密度；同时需要指出，良好的电极材料设计合成，也需要为电极材料的良好循环稳定性以及优良的功率密度做出贡献。目前，国家对动力电池提出了一系列较高的要求，到2020年，整个电池体系的能量密度需要达到260-300Wh/kg的水平，这就进一步对电极材料的设计制备提出了苛刻的要求。根据高效锂离子电池材料面临的挑战，本课题选择了低成本、高容量、环保的氧化锡和碳复合材料作为研究对象，通过设计合成碳和氧化锡的同心球复合结构，充分利用了电极的空间结构；同时，石墨化碳的存在不但提供了良好的导电介质，而且也可以有效封闭氧化锡材料，避免团聚失活。从而该多级结构在电化学储能测试中，展现了优良的性能，在1C的充放电速率下，100个循环后，复合结构的储锂容量依然可以达到911mAh/g。相对比于目前的类似材料，该复合结构的性能是最好的。本项目研究的顺利实施，针对氧化锡基复合材料空间利用率不高或者氧化锡材料容易团聚粉碎而失活的问题，首次提出了合成氧化锡/锡与石墨碳复合的多壳层结构的思路，并构建了具有同心球布局特征的氧化锡/锡@石墨碳多壳层复合结构，以此为模型系统研究了结构导向的电化学储锂协同增强机制，这在已有的文献中还尚未见涉及。同时，本项目研究成果，也可以进行一定程度的拓展推广，为其他储能材料，甚至是类似体系，如电催化材料的优化提升，提供可以借鉴的宝贵科学经验。