基于金属磷化物的钠离子电池柔性电极的设计、合成及性能调控研究

The research and development of high-performance flexible sodium ion battery have important scientific significance and practical value to solve the renewable energy storage and meet the demand of flexible wearable electronic equipment. Currently, the theoretical specific capacity of carbon anode materials is low and the electrode prepared by the traditional method is undeformable, which seriously hinder the development of high performance flexible sodium ion batteries, thus it is urgent and crucial to design and prepare the flexible anode with high performance. This project will construct the carbon matrix/metal phosphide composite flexible anode by using the carbon cloth/carbon nanotube as conductive flexible matrix and deriving from the metal organic frameworks (MOFs). The development of sodium ion battery can effectively overcome the shortcomings of the less lithium resources; the design of flexible electrode can not onlyovercome the faults of conventional technology and promote the development of flexible sodium ion batteries; this method can realize the controllable morphology and improve the cycling and rate performance. The project firstly puts forward the new ways to construct flexible electrode for based on metal phosphate and will provide new scientific basis to accelerate the research and development of flexible sodium ion battery.

高性能柔性钠离子电池的研究和开发对解决可再生能源存储和满足可穿戴柔性电子设备的发展需求等问题具有重要的科学意义和实用价值。目前，碳负极材料的理论比容量较低和传统方法制备的电极材料不可弯折等问题严重阻碍高性能柔性钠离子电池的发展，设计和制备具有高比容量的柔性负极是突破其发展瓶颈的关键和难点。本项目拟以碳纤维布/碳纳米管为导电的柔性基底，采用金属有机骨架化合物（MOFs）衍化的方法，构筑钠离子电池用碳基质/金属磷化物复合柔性负极。钠离子电池的开发可以有效克服锂离子电池中锂资源较少的缺点；柔性电极的构筑不仅可以克服传统电池制备工艺繁琐复杂的缺点，还有利于柔性钠离子电池的发展；采用MOFs衍化法可以实现金属磷化物的形貌可控，而引入导电基底则可以提高金属磷化物的循环和倍率性能。本项目提出构筑基于金属磷化物的钠离子电池柔性电极的新途径，将为促进柔性钠离子电池的研究和开发提供新的科学依据。

本项目针对碳负极材料储钠容量低、有机电极材料与电解液兼容性差、金属钠负极枝晶生长和传统方法制备的电极材料不可弯折等问题，开发和设计了几种技术路线，通过组成、结构设计、电解液筛选、合金化、界面修饰等方法实现了电极容量和寿命的提升以及高安全柔性锂空气电池器件的制备，并利用多种表征手段揭示了电极的组成和结构与电化学性能间的构效关系，为高能量密度柔性电极的设计制备提供了科学依据和实验指导。主要成果包括：1）通过水热反应、煅烧以及随后的磷化过程，在柔性碳布上原位生长了多孔CoxP多级微纳结构的钠离子电池“一体化”负极，实现了在5 A/g的大电流下高达9000次的稳定循环；2）利用钠离子-溶剂-阴离子结构的特点，筛选出了可与N-杂并五苯醌有机电极匹配的醚类电解液，缓解了其库伦效率低、循环寿命短、倍率性能差的难题；3）借助合金电极的本质特性，并结合电解液添加剂的使用，显著提高了锂钠负极的使用寿命，并构筑了长寿命新型锂钠合金-空气电池；4）通过仿生电极的设计，制备了高机械稳定性和结构稳定性的柔性电极，并据此研制了高安全性的柔性锂空气电池器件；5）基于柔性锂空气电池设计了一个集能量转化、存储与释放一体化的柔性自供电能源系统，拓宽了锂空气电池的应用场景。项目组按期完成了项目计划的主要科研内容和项目目标，并取得了相应的科研进展。相关研究成果在Nat. Chem.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Energy Mater.等期刊上发表研究论文5篇；项目组成员参加了中国化学会2021电催化与电合成国际研讨会；中国化学会第32届学术年会等重要学术会议等重要学术会议。项目执行期间，毕业硕士生5名，博士生3名，一名成员获得国家自然科学基金委杰出青年基金项目的支持。