高性能多孔硅基纳米复合锂离子电池负极材料的制备及性能研究

Silicon-based anodes are the most appealing materials through a combination of high specific capacity and low discharge potentials. However, their low electrical conductivity and large volume changes between the charged and discharged states are detrimental to cycling stability. This project proposes the preparation of porous silicon nanosphere, nanorod, nanotube and nanobelt through magnesiothermic reduction of various morphologies of silica nanoparticles. Then the obtained porous silicon nanoparticles will be doped with different conductive additives and binders to fabricate silicon-based anode material. In addition, we will investigate the connection between nanostructure and morphology of porous silicon nanomaterial and electrochemical performance of anode material in the lithiation/delithiation process to fabricate silicon-based anode material with higher reversible lithium storage capacity, better rate capability and excellent cycle stability. This project provides a new strategy of exploring high performance lithium-ion battery anode material to meet the demand of power battery and new energy vehicles industry. This independent intellectual property rights will help to enhance independent innovation capability and competitiveness of core components of new energy vehicles and power batteries.

硅基锂离子电池负极材料由于其高比电容量以及低放电点等优势成为当前电极材料研究工作的重点。然而，其低电导率以及充放电过程中巨大的体积变化对电极材料的循环性能有着致命的影响。本项目拟通过简便的镁热还原不同形貌的二氧化硅前体的方法制备多孔硅纳米球、纳米棒、纳米管以及纳米带等，并掺杂不同的导电添加剂以及粘结剂制备硅基纳米复合负极材料。此外，我们还将探讨硅纳米材料的多孔微观结构和形貌、制备的复合负极材料电化学嵌/脱锂过程与电化学性能之间相关影响机制问题，并通过研究改进制备电化学贮锂可逆容量高、高倍率充放电性能及循环性能优异的硅基纳米复合锂离子电池负极材料。本项目为高性能锂离子电池新型负极材料的研究提供了一种新的途径，其研究和结果满足了动力电池以及新能源汽车产业的需求并可形成自主知识产权，有助于提升我国未来新能源汽车及动力电池核心零部件等方面的自主创新能力和核心竞争力。

本项目根据最近研究结果以及国内外最新进展，结合我国节能与新能源汽车产业发展规划征求意见稿中提出的到2020年新型高容量锂离子电池负极材料的性能指标，提出了新型高性能中空多孔硅纳米锂离子电池负极材料的制备及其贮锂性能的研究。我们研究的多孔硅材料孔壁薄有利于活性材料电解液界面电荷转移；中空结构能有效缓解充放电过程中的体积效应。该项目中硅基纳米复合电极材料具有极高的比容量，制备方法简单易行可进行工业化放大生产，通过掺杂导电添加剂以及粘结剂可使纳米电极材料在保持高贮锂容量的同时具有优异的循环性能，制备具有高能量密度、高功率密度以及长循环寿命的锂离子电池，以满足动力电池产业以及新能源汽车的需求。项目取得的创新性研究成果主要有：1. 阐明了不同方法制备的各种形貌的二氧化硅纳米材料的形成机理，以及不同反应条件对镁热还原二氧化硅前体得到中空及介孔硅纳米材料微观结构、形貌和组成的影响；2. 对其微观结构、形貌和组成等进行表征，找出了其中的关键影响因素。在此基础上阐明了不同的导电添加剂以及不同的粘结剂对硅基纳米复合负极材料的电化学贮锂性能的影响。所制备的中空多孔硅基锂离子电池负极材料具有极高的比电容（3762 mAh/g），良好的充放电循环性能（循环99次后仍能保持大于93 %的初始比电容）以及优异的充放电速率性能（在4000 mA/g的电流密度下仍能保持大于2000 mAh/g的比容量），远远超过了石墨以及宏观多孔硅基负极材料的电化学性能。