纳米金属氟化物作为钠离子电池转换正极的研究

Metal fluorides are promising high-capacity cathode materials for sodium-ion batteries, because of the reversible multi-electron structural conversion reactions with sodium ions. However, the poor kinetic properties and low conductivities largely limit the application of metal fluorides as cathode materials for sodium-ion batteries. In this study, we intend to synthesize the metal fluoride nanocrystals by using template method, and then cover the as-prepared nanocrystals with conductive polymers evenly by using in-situ oxidation polymerization directed by sufactants, to obtain the highly dispersed core-shell composites. This method will improve the rate ability and cycleability of the metal fluoride cathode materials, by making the metal fluorides particles effectively downsized and electrically wired, to establish nanoscaled strucutres favorable for electrochemical conversion reactions. The multi-electron electrochemical conversion performances of the composite electrodes in sodium-ion batteries will be studied, to achieve the rapidly reversible structural conversion reaction of these metal fluorides with sodium ions. The structural changes and phase transition mechanism of these fluorides conversion reactions will also be investigated, to reveal the key factors affecting the kinetic performance of the electrodes. This study will provide theoretical fundamental and technical support for the development of high-capacity cathode materials for sodium ion batteries.

金属氟化物可通过电化学转换反应与钠离子发生多电子可逆结构转换，是一类极具应用前景的高容量钠离子电池正极材料。然而氟化物较差的动力学性能与较低的导电性大大限制了其作为钠离子转换正极的应用。本研究拟采用原位模板法合成金属氟化物纳米晶，并通过表面活性剂引导导电聚合物单体在纳米晶表面进行原位化学氧化聚合，制备由导电聚合物均匀包覆的高分散的氟化物纳米晶核壳复合材料。通过有效实现氟化物的高度纳米化和导电化，构建有利于电化学转换反应的纳米界面结构，以改善电极的倍率性能和循环稳定性。通过研究复合电极在钠离子电池中发生多电子转换反应的电化学行为，实现氟化物与钠离子的快速可逆结构转换；并进一步研究氟化物在反应过程中的结构变化和相转变机理，揭示影响电极动力学性能的关键因素。本研究将为发展高容量高功率的钠离子电池正极材料提供理论基础和技术支持。

发展高容量新型电极材料是提升二次电池能量密度的关键。转换型电极材料不同于传统的嵌入型电极材料，可以与锂离子和钠离子发生多电子可逆结构转换，是极具应用前景的高容量新型二次电池电极材料。然而，这类材料在充放电过程中不断发生结构变化，带来较大的体积膨胀与收缩，材料的动力学性能和循环稳定较差。. 针对转换电极材料存在的问题，实验设计和构建适合转换反应进行的电极结构，采用单分散磺化聚苯乙烯微球，聚乙烯醇和端氨基超支化树脂等聚合物模板分别合成了金属氟合物和氧化物两类转换电极材料，建立了氟化物和氧化物稳定可控的合成路线。实验研究了模板分子和反应条件对产物结构和形貌的影响以及在锂离子和钠离子电池中的电化学反应行为特征，优化了电极的动力学性能，建立了高容量氟化物和氧化物钠离子电池材料新体系，并在上述基础上重点研究了氟化物和氧化物与Na+的转换反应机理。实验采用非现场的XRD，XPS，HRTEM等实验技术研究了不同充放电态电极的结构和微观组成，阐明了氟化物和氧化物与Na+的电化学转换反应机理，揭示影响电极动力学性能的关键因素，实现了目标化合物从高价到单质间的可逆结构转换。该项目的完成为高容量转换型电极材料的实用化提供了理论指导和技术支持。