原子层沉积制备五氧化二钒的结构调控、锂硫电池性能及固硫机制研究

The development of novel nanomaterials for lithium sulfur batteries with high energy density and stability is the interdisciplinary and cutting-edge research in the field of new energy technology and nanotechnology. In order to address the polysulfide shuttle issue in lithium sulfur battery, this proposal intends to prepare V2O5 nanolayer on three dimensional (3D) graphene using atomic layer deposition. The combination of high conductivity and high surface area of 3D graphene and the chemisorption of polysulfides to V2O5 is expected to better anchor the polysulfides and obtain the electrode materials with high stability and good rate capability. The controllable synthesis, morphology, thickness and the interface structure of V2O5 nanolayer will be investigated, and then the electron transport, ion diffusion, polarization, cycling stability and other electrochemical performances of such electrode materials will be studied. We will further design and assemble the electrochemical nanodevices based on atomic layer deposited V2O5 nanolayer, and the physicochemical property of the electrode interface will be monitored during charge/discharge by in situ Raman, etc. Finally, based on the experimental results, the electrochemical theories and first principles calculation, the intrinsic interaction mechanism between V2O5 and polysulfides will be revealed, based on which the electrode material structure will be optimized to get better lithium sulfur batteries.

开发基于新型纳米材料的高能量密度、高稳定性锂硫电池是新能源技术和纳米科技的交叉和前沿。本项目针对锂硫电池穿梭效应这一关键科学问题，拟以三维石墨烯为基体材料，通过原子层沉积技术制备五氧化二钒（V2O5）纳米层，结合三维石墨烯高电导率、高比表面积等优点以及V2O5对多硫化物的化学吸附作用，以期实现优良的固硫效果，获得稳定性高、倍率性能好的锂硫电池电极材料。可控制备并表征V2O5的形貌、厚度、界面结构等，研究其结构对电极材料电子传输、离子扩散、极化、循环稳定性等电化学性能的影响。基于原子层沉积V2O5纳米层组装微纳电化学器件，通过原位Raman光谱等技术监测电极表界面的物理化学性质在充放电过程中的演变规律。以结构性能测试和原位表征结果为基础，结合电化学理论及第一性原理等从原子分子层面揭示V2O5抑制多硫化物穿梭效应的本征机制，并在此基础上优化电极材料结构以进一步提升锂硫电池电化学性能。

随着人们对电动汽车续航能力要求的进一步提高以及大规模能量存储器件等领域的快速发展，锂离子电池的能量密度已经不能满足人们的需求，发展高能量密度的新型二次电池已是大势所趋。锂硫电池具有2600 Wh kg -1的理论能量密度，远高于目前商用锂离子电池。然而，目前锂硫电池仍存在循环稳定性差、库伦效率低和活性物质利用率低等缺点，多硫化物的穿梭效应是导致锂硫电池存在以上问题的最主要原因。.本项目针对锂硫电池穿梭效应问题，设计制备了一系列锂硫电池正极、功能性隔膜等关键材料，并探究其优化机理，取得了一系列创新性研究成果。代表性研究结果包括:（1）基于本项目设计，在三维石墨烯内部均匀沉积了厚度精确可控的纳米级V2O5修饰层，大大降低了修饰材料的质量，提高了电池整体能量密度；同时由于化学吸附为单层吸附，该修饰层依然能较好地吸附多硫化物并且不影响电子传输过程。复合正极材料在0.2 C倍率下展现出高达1555 mAh g-1的初始放电容量，且在循环100圈后容量保持率达86.3%。（2）制备了氮掺杂三维石墨烯负载氮化钛复合材料，并将其作为锂硫电池自支撑正极。负载在石墨烯片上的氮化钛纳米线能有效吸附多硫化物，抑制锂硫电池中的穿梭效应。该复合电极展现出了优异的电化学性能，即使充放电倍率高达5 C，仍然能展现出676 mA h g-1的可逆容量。（3）设计制备了具有多硫化物催化转化作用的含氧缺陷TiO2纳米片修饰的PP隔膜，该修饰层厚度仅为500 nm，面载量仅为0.12 mg cm-2，较薄的修饰层不仅保证了对多硫化物的抑制作用，而且有利于锂离子的快速转移，同时低的负载量为锂硫电池高的能量密度提供了保障。电化学性能测试表明，该功能化隔膜在催化能力、容量、循环稳定性和倍率性能都有极大的提升和改善。本项目的研究为高性能锂硫电池关键材料开发与本征电化学机理研究提供了重要的科学依据。