钒族碳化物/碳纤维纳米复合材料的可控构筑及其高效储锂机制研究

The development and utilization of novel anodes for high performance lithium ion batteries is an important development direction in the field of power batteries. Due to its high conductivity, low Li+ diffusion barrier and low relative molecular mass, non-functionalized group VB metal carbides are considered as the most promising anodes for high performance lithium storage. However, currently, the preparation methods of non-functional group VB metal carbides are limited. The structure-activity relationship between group VB metal carbide nano-structures and their lithium storage performance remain to be resolved. The lithium storage mechanism of group VB metal carbides are not yet clear. This project will serve the group VB metal carbides as research object and explore the controllable preparation method of group VB metal carbide/carbon fiber composite. The study on structure characterization and regulation of group VB metal carbide/carbon fiber composite remains to be investigated. Since the morphology of carbides affect the lithium storage performance, the clear lithium storage mechanism of metal carbide still needs further exploration. This project aims to explore the controllable preparation of group VB metal carbides via a reasonable technical route, set up a structure-activity relationship between the nanostructure of group VB metal carbide/carbon fiber composite and their lithium storage performance, as well as elucidate its pseudocapacitive lithium storage mechanism. This project will provide certain scientific basis for controllable structure design and further development of anode materials of lithium ion battery.

高性能的新型锂离子电池负极材料的开发和利用，是动力电池领域的重要发展方向。由于高导电性、低Li+扩散势垒、低相对分子质量等特点，非官能化的钒族碳化物被认为是最具潜力实现高性能储锂的负极材料。然而，目前制备非官能化钒族碳化物的方法较为局限，关于钒族碳化物的结构与储锂性能的构效关系、储锂机制也尚未明确。本项目将以钒族碳化物为研究对象，沿着钒族碳化物/碳纤维纳米复合材料的可控制备、电极材料结构表征与调控、性能表征与分析、材料结构对赝电容储锂性能的影响这条研究主线，开展纳米材料与技术在锂离子电池中的基础和应用基础研究。本项目旨在探索可控制备非官能化钒族碳化物的合理技术路线，建立钒族碳化物/碳纤维复合材料的结构与储锂性能之间的构效关系，并阐明其赝电容储锂机制，为其进一步在锂离子电池负极材料领域开发和应用提供一定的科学依据。

非官能化的钒族碳化物具有高导电性、低Li+扩散势垒、低相对分子质量等特点，被认为是最具潜力实现高性能储锂的负极材料。然而，目前制备非官能化钒族碳化物的方法较为局限，关于钒族碳化物的结构与储锂性能的构效关系、储锂机制也尚未明确。.针对上述问题，本项目研究了钒族碳化物/碳纤维纳米复合材料的微观结构特征，并揭示CVD工艺参数的影响机制。在不同碳基底上可控合成了VC、VO2/V8C7、Ta2O5/TaC等多种钒族碳化物复合结构，实现了对碳化物化学组成、形貌等的精准调控；发展了LiF-HCl蚀刻法，成功制得V2C、Nb4N5@Nb2C等碳化物，探究了反应时间对碳化物片层结构、表面化学状态等的调控机制。.本项目进一步揭示了钒族碳化物/碳纤维纳米复合材料微观结构与储锂性能的关系。利用界面微电场和导电CNF的协同作用加速Li+的扩散和转移，优化了VO2/V8C7@CNF负极的反应动力学；利用双金属碳化物的结构优势，充分发挥其赝电容特性，实现其长效储钠；发展了Ni原子吸附、氮掺杂石墨烯修饰等普适性方法，有效调控了碳化物的电子结构及导电性；通过引入Zn原子并控制其引入量，实现了碳化物的两种晶相之间的定向转变和精确控制。.最后，获得了优异的储锂性能和电化学稳定性，并将赝电容储能机制拓展至其它负极材料和其它电池体系种。VO2/V8C7@CNF负极表现出高比容量（647.8 mA h g−1），即使在5 A g−1电流密度下循环1000次，其比容量仍能保持在205.3 mA h g−1；零应变、高导电性TaC缓解了Ta2O5的体积膨胀，确保整个电极完整性和长循环寿命，在10 A g−1的大电流密度下，TaC/Ta2O5异质结负极循环1000周后，容量仍高达144 mA h g−1；采用双重螯合策略，在碳管表面合成了具有核壳结构的W@WxC异质结，在1 A g–1的电流密度下，其全电池能量密度可达到360.2 Wh Kg–1。.总体而言，本项目从材料设计的角度出发，探索了可控制备非官能化钒族碳化物的合理技术路线，建立了钒族碳化物/碳纤维复合材料的结构与储锂性能之间的构效关系，并阐明其赝电容储锂机制，为其进一步在锂离子电池负极材料领域开发和应用提供一定的科学依据。