碳化细菌纤维素基纳米复合材料的原位构建及其在钠离子电池负极中的性能研究

Sodium-ion battery (SIB) has high expectations as a promising alternative to lithium-ion battery (LIB) in areas of electric vehicles, smart grids and others because sodium resources are virtually inexhaustible and ubiquitous around the world. At present, the key problems for the anode of SIB are mainly three aspects: the low conductivity of active materials, the volume change of the electrode materials, and the maintenance of SEI membrane stability. In this project, we will develop the systems of functional nanomaterials based on carbonized bacterial cellulose (CBC) and its precursor (BC), which could effectively solve the above problems. The in situ method will be used in preparation of nitrogen containing materials, precursor of active materials, and polymer coating, in which BC acts as the support with three-dimensional continuous structure. After that, SIB anodes which are based on nitrogen doped CBC and have coating structures are obtained through one-step carbonization method. By the materialogy and electrochemical test and analysis, the molecular mechanisms of in situ synthesis are studied. It should be focused on the mechanism of accommodation volume changes of active materials and maintenance of SEI membrane stability, as well as their function on electrochemical behavior. On the basis of the experimental work, we will develop the SIB anodes with large specific capacity, excellent cycle performance, good rate capability. This project will provide a solid theoretical basis for the practical application of SIB.

由于钠资源储量丰富且来源广泛，因此钠离子电池（SIB）有望取代锂离子电池（LIB）而大量用于电动汽车和智能电网等领域。如何改善活性物质的导电性、调控电极材料的体积形变、维持SEI膜的结构稳定，是目前SIB负极体系面临的关键问题。本项目将研究基于碳化细菌纤维素（CBC）及其前驱体材料（BC）的、可有效解决上述问题的功能纳米复合材料体系。以具有三维连续结构的BC为支撑载体，原位复合含氮源物质、活性物质前驱体、聚合物包覆层，再通过一步碳化的办法获得基于氮掺杂CBC的、具有包覆结构的SIB负极材料。通过系统的材料学和电化学测试和分析，研究原位复合过程中物质间的分子作用机制。重点研究容纳活性物质体积变化和维持SEI膜结构稳定的内在机理，及二者对SIB电化学行为的作用关系。最终研发出具有大比容量、优异循环性能、良好倍率性能的SIB负极材料，为SIB实际应用奠定坚实的理论基础。

众所周知化石能源在促进人类社会迅速发展的同时也带来了严重的生态和环境问题。此外，化石燃料储量有限，过度开采势必造成资源枯竭。国际上资源、能源纷争加剧，战略资源传输通道常年面临安全隐患。基于可再生资源开发新型能源体系不仅为社会稳定发展提供持久动力，而且也事关国家能源安全的大局。.该项目从一种生物质细菌纤维素作为出发点，利用纳米纤维素表面丰富的羟基官能团作为锚定位点与其它活性物质前驱体进行杂化复合。在此过程中，细菌纤维素超细的纳米纤维既作为一种刚性支撑载体，又提供了充足的比表面积。为了保持细菌纤维素三维结构的完整性，我们设计了基于三维材料复合杂化的几种原位合成方法。利用这些方法可在维持材料结构稳定的基础上实现活性物质前驱体在体型材料表面和体相内的均匀分布。在这一过程中，我们从分子水平研究了纤维素表面官能团和活性组分之间的作用关系。.通过一步碳化的办法同时得到了碳化细菌纤维素和电化学活性物质的复合材料。我们充分利用碳化过程所提供的高能量，实现了导电基体和活性组分的同步制备。我们研究了杂元素掺杂对于改善碳材料电化学行为的显著影响，分析了其关键的作用机制。重点研究了杂元素的掺杂量和键合结构对于碳纳米纤维电化学性能的重要作用。在微纳尺度结构表征方面，重点研究了碳纤维复合材料在比表面积、孔体积、孔径分布等方面所呈现出来的结构特征。联系电化学反应中电子、离子、反应物质、反应产物等转运行为，建立了电极材料微结构与电化学性质之间的构效关系。.通过优化设计合成了几种具有高效电催化能力和锂/钠离子存储能力的碳纳米纤维复合材料，重点研究了三维连续的碳纤维气凝胶电极在保持电极自支撑特性、促进活性位点暴露、降低传质阻力等方面所发挥的关键作用。获得了几种兼具高催化活性、长循环寿命、大放电容量、优良倍率性能的多功能电极材料。同时拓展了一类资源丰富、廉价易得、结构新颖的生物质碳气凝胶材料在电化学新能源领域的应用。