高容量型纳米ZnMeFe2O4/C核壳结构材料的设计与嵌脱锂机理研究

TThe project tries to employ the method integrating molecular design with experiment preparation to investigate the insertion-lithium mechanism and electrochemical properties of ZnMeFe2O4/C, the anode materials with high capcacity and core-shell structure. In the theoretical part, ZnxMe1-xFe2O4,insertion-lithium compound, including active element Me (Sn, Sb, Si, Al etc), will be filtered through molecular desiging and simulating.The research tries to exambine some properties of this compound, including doped element and component, formantion energy, crystal shape, electronic structure and elctronic potential curve to explore the reasons resulting in the initial irreversible capacity and illustrate the mechanism of alleviating the aberratiions of structure in the discharging progress. Tries to study the transport system of Li+ in all interface layer. In experimental part, the new synthetic method will be used to produce the ZnxMe1-xFe2O4 nanomaterial, then the surface of graphite and nanoparticals will be decorated and spreaded on the surface of the little graphite particales, finally we employ the mehod of high polymer material disintigrating to produce the core-shell structural material with highly stable structurees. The present program will lay the groundwork for future applitcation of the new high capacity material- ZnFe2O4.

本项目拟采用分子设计和实验制备相结合的方法，研究高容量型核壳结构负极材料ZnMeFe2O4/C的嵌脱锂机理与电化学性能。理论部分应用分子设计与模拟筛选出适合于嵌脱锂的ZnxMe1-xFe2O4嵌锂相化合物（其中Me 为活性元素Sn, Sb, Si, Al等）；研究该化合物的掺杂组元组份、嵌锂形成能、晶体形态、电子结构、电位轮廓线等性质，探索影响首次不可逆容量的原因及减缓充放电过程中结构畸变的作用机理；研究Li+在各相界面层中的输运过程。实验部分首先利用前驱固相反应、微乳液和聚合物热分解等新的化学方法制备出ZnxMe1-xFe2O4纳米材料；然后对小颗粒石墨母体和制备的纳米颗粒进行表面处理，并以该石墨为载体，将纳米颗粒弥散钉扎于石墨表面；最后采用有机高分子碳源包覆制备得到具有较高稳定性的"核-壳"结构材料。本项目研究为新型高容量ZnFe2O4材料的应用奠定基础。

锂离子电池具有比能量高、自放电小、循环寿命长、重量轻和绿色环保等优点而被广泛用作各种便携式电子设备和电动汽车的电源。电极材料是决定锂离子电池综合性能优劣的关键因素，而对于负极材料来说，目前商业化的碳负极材料已接近达到其理论极限容量（372mAh/g），严重限制了高容量型锂离子电池的进一步发展。另外，碳负极电位与金属锂的电位十分接近，过充时会引起锂的沉积，严重时甚至会引起起火爆炸。因此，碳负极材料的这些缺点以及对高容量高安全性锂离子电池的需求激发起人们对新型金属类储锂负极材料的研究。而锌基铁酸盐(ZnMeFe2O4)兼顾了金属锌的高容量和铁酸根的高稳定性能，因此本项目以ZnFe2O4作为研究对象。本项目采用了分子设计和实验研究相结合的方法，首先运用第一性原理计算分析ZnMeFe2O4这一新型高容量负极材料的嵌脱锂机理进而提出材料的改性设计思路，然后合成制备纳米级别核壳结构ZnMeFe2O4/C负极材料。本项目中采用水热反应的方法，通过控制不同的反应条件合成制备了中空、实心、纳米棒状和纳米方块等不同形貌的ZFO电极材料，循环比容量达到1200mAh/g以上，首次循环效率大于86%，达到商用电极材料的技术指标要求，项目完成时在J.Power Sources, New J. Chemistry., Electrochem. Acta, RSC Adv. J.Solid State Chemistry.等知名期刊发表多篇高水平研究论文。项目重点解决了锌基铁酸盐存在的首次效率低和导电性能差的问题，为该材料的应用及产业化垫底坚实的理论基础和提供指导作用。