高能量密度、高功率密度锂离子电池用纳米Si-多孔PPy弹性综合体结构负极及其充、放电过程研究

硅在锂嵌入时的巨大体积变化限制了其实际应用，项目提出一种纳米Si-多孔PPy（聚吡咯）弹性综合体结构的负极。具有良好伸缩性、高电导率的多孔PPy可分散地容纳活性物质纳米硅，阻止硅在电极过程中的团聚，保证负极与集流体之间的良好导电；PPy中合理孔径孔通道的存在有益于锂离子在弹性体中的快速传输，提高材料的大倍率性能。多孔PPy采用电化学法合成，预处理过的纳米硅均匀稳定地嵌入PPy弹性体中制得新型负极。项目还将利用各种现代物理化学表征手段与电化学测试技术，研究弹性综合体结构形成的反应机理与动力学，揭示合成条件对负极材料理化性能影响规律，得到最优制备工艺；在深入研究制备工艺和电化学行为关系基础上，找到具有优异循环性能的负极制备技术；研究锂离子在电极中传输行为与规律，阐明其储能机理，建立该新型负极在锂离子电池体系中的工作模型。项目的研究，可为设计高能量密度、高功率及长寿命新型锂离子电池奠定理论基础。

硅在锂嵌入时的巨大体积变化限制了其实际应用，针对锂离子电池用硅负极存在的问题，本项目提出了一种纳米Si-多孔PPy弹性综合体结构的负极。多孔PPy采用化学氧化法合成，预处理过的纳米硅通过高能球磨法均匀稳定地嵌入聚吡咯弹性体中制得新型负极。项目研究了各项合成条件对负极材料理化性能的影响规律，得到了优化的制备工艺条件。对复合负极在锂离子电池体系中电化学性能的研究发现纳米Si-多孔PPy负极相比纯硅负极性能有所提高，但由于所合成PPy较低的导电率，电化学性能改善程度有限。为提高PPy的导电率，对PPy材料进行了碳化-活化改性研究，得到了形貌结构可控的PPy基碳纤维， 在保持了PPy材料优点的同时大幅提高了导电率和电化学性能。通过进一步对PPy基碳纤维与多种高容量电极材料的复合改性以及电化学性能研究，证明了PPy基碳纤维由于具有高效的导电网络和稳定的结构，对硅、锡、硫等高容量锂电电极材料具有优良的改善作用，可以得到容量高、循环稳定、大倍率性能良好的复合电极材料。最后研究了各复合电极结构与电化学性能的对应关系，建立起了复合电极的工作模型并阐述了其储能机理。