碳层限域空间内Sn-Co量子点的尺寸调控机理及可逆储锂性能

Graphene loaded with Sn-Co quantum dot have demonstrated great prospect in high performance anode material for Li-ion battery. How to confine the growth of Sn-Co quantum dot is a key issue for improvement the reversible lithium storage performance of anode material. A novel strategy for creating a carbon layer confine space of the partially reduced graphene oxide will be proposed in this project, taking natural graphite as raw material. The graphene loaded with Sn-Co quantum dot anode material will be synthesized in the carbon layer confine space. Taking the method combined experiment study and first principle calculation, the mechanism and approach for adjusting the carbon interlayer distance of partially reduced graphene oxide in liquid will be explored firstly. Moreover, the preferential nucleation site and the growth behavior of Sn-Co quantum dot within the carbon layer confine space will be investigated. The relationship between the size of Sn-Co quantum dot and the carbon interlayer distance will be analyzed to determine the critical rang of carbon interlayer distance for synthesizing of Sn-Co quantum dot. And the mechanism for adjusting the size of Sn-Co quantum dot will be explored. Finally, the relationship between the reversible storage lithium property and composition, structure of graphene loaded with Sn-Co quantum dot anode material will be investigated. The system spatially confined method for synthesizing graphene loaded with Sn-Co quantum dot anode material with high performance will be establish. The research results are expected to enrich the spatially confined synthesis theory of low dimensional functional composite and promote the development of high performance anode material for Li-ion battery.

石墨烯负载Sn-Co量子点在高性能锂离子电池负极材料中展示出良好的应用前景，如何抑制Sn-Co量子点的生长是提高可逆储锂性能的关键。项目提出以天然石墨制备的部分还原氧化石墨烯来构筑碳层限域空间的新途径，合成石墨烯负载Sn-Co量子点负极材料，实现Sn-Co量子点的可控合成。采用实验研究和第一性原理计算相结合的方法，首先研究液相中部分还原氧化石墨烯碳层间距的调节机制和方法；然后研究碳层限域空间内Sn-Co量子点的优先形核位置和生长行为，分析碳层间距与Sn-Co量子点尺寸之间的关系，研究合成Sn-Co量子点的碳层间距临界范围，探索Sn-Co量子点的尺寸调控机理；最后研究石墨烯负载Sn-Co量子点负极材料的组成结构与可逆储锂性能之间的关系，建立一种高性能锂离子电池负极材料的合成方法。研究成果对丰富石墨烯复合功能材料的限域合成理论和研发高性能锂离子电池电极材料具有重要意义。

针对如何抑制Sn-Co量子点的长大是提高电极材料可逆储锂性能的关键科学问题，项目提出以天然石墨制备的石墨烯来构筑和调控碳层限域空间的途径，实现了Sn-Co量子点(合金)的可控合成。采用实验研究和第一性原理计算相结合的方法，首先研究了部分还原氧化石墨碳层间距等物理化学性质的影响因素，实现了碳层间距在0.34-0.64 nm范围的调节，揭示了石墨烯碳层间距调控机制。然后按照逐步深入的思路，研究并阐明了碳层限域空间内Sn量子点、Sn-Co量子点(合金)、Sn-Co-Sb合金的生长行为和机理；建立和揭示Sn量子点/石墨烯、Sn-Co量子点(合金)/石墨烯、Sn-Co-Sb合金/石墨烯负极材料的组成结构与可逆储锂性能之间的关系和机理，获得一种电化学性能优异的锂离子电池负极材料，合成的Sn-Co-Sb合金/石墨烯负极材料的首次可逆容量达652 mAh/g，经过100次循环后容量保持率为76.2%。.同时采用第一性原理计算研究了Li离子在石墨烯、Sn/石墨烯等复合构型中的优先储存位点，研究和揭示了Li与C、Sn等原子的成键类型和电荷转移情况。石墨烯优先储存在Sn团簇附近的石墨烯碳六环表面，随着储存Li离子的增多，Li离子向石墨烯转移的平均电荷减少，Sn团簇与石墨烯的相互作用减弱，结构稳定性降低。在Sn/石墨烯复合构型中，石墨烯的C-C键主要是共价键，Sn团簇的Sn-Sn键主要是金属键，Li与C、Sn原子形成的Li-C键和Li-Sn键均为具有一定共价性的离子键。.项目以天然石墨为原料合成石墨烯，可为石墨烯复合功能材料以及天然石墨的精细加工提供理论依据；同时项目合成方法工艺简单，有望成为开发高性能锂离子电池电极材料的重要技术途径。.本项目（51874167）资助下，在国内外学术期刊共发表论文18篇，其中SCI收录7篇，EI收录10篇；申请发明专利2项，获得2020年度中国商业联合会科学技术三等奖1项，正在编著专著1部并获得辽宁省优秀自然科学学术著作出版资助计划资助；培养已经毕业的硕士研究生4名，在读博士研究生1名和硕士研究生2名。