非层状过渡金属碳化物基纳米材料的结构调控、储锂性能及机理

Non-layered transition metal carbides (NLTMDs) with good ionic conductivity and high electric conductivity are promising Li+ storage materials. However, the research on this material as anode materials for lithium ion batteries has just begun. There lacks systematic knowledge of the structural control, performance optimization and Li+ storage/release mechanisms. In view of such situation, this project plans to use organic-inorganic hybrid materials as self-templates and precursors, through tuning the structures of the self-templates and the carburization conditions, to control the crystalline nature and the microstructures of the resultant NLTMDs. On such basis, the project will systematically study the interface reaction, Li+ diffusion kinetics and capacitive behavior, find out how they relate with the structure and Li+ storage/release performance. The project will further explore the Li+ storage/release mechanisms by combing ex-situ/ in-situ techniques with electroanalytical methods. Through this project, controlled synthesis methodology of the nanostructured NLTMDs will be established, systematic knowledge of their electrochemical performance will be expanded and the Li+ storage/release mechanisms will be revealed. This will be beneficial for the further structure design and performance optimization of the anode materials for the next-generation lithium ion batteries.

非层状过渡金属碳化物具有优秀的离子、电子传导性，是一种具有潜力的储锂材料。但目前关于其作为锂离子电池负极材料的研究还处于初始阶段，在其结构调控、性能优化、储锂/脱锂反应机理等方面缺乏系统、清楚的认识。针对上述问题，本项目拟以有机-无机杂化材料为自模版和前躯体，通过控制自模版的结构和碳化条件，实现对产物金属碳化物晶体结构和纳米组织结构的调控。在此基础上，系统研究结构与界面反应、Li+扩散动力学、电容性等特征的关系及对储锂性能的影响。通过多种移位、原位结构表征技术与电化学测试技术联用，研究非层状过渡金属碳化物的储锂反应和性能衰减机制。通过本项目，将建立较为系统的非层状过渡金属碳化物体系可控合成方法，获得其储锂性能的规律性认识，揭示其储锂机理，并指导进一步优化电极材料结构和提升性能，实现能量密度和功率密度的协调统一。

过渡金属碳化物中同时含有金属键、离子键以及共价键，因此兼具共价化合物、离子晶体和过渡金属的特性。相比大多数金属氧化物、硫化物半导体，过渡金属碳化物高的电子和离子导电性有利于电化学反应的进行。本项目以非层状碳化物为研究对象，围绕结构调控、储锂性能优化和机理探索开展了系列工作，完成了设定的研究目标，主要包括：（1）实现了对碳化钼基材料晶体结构和纳米组织结构的有效调控。以有机-无机杂化材料为自模版和前驱体，通过改变前驱体中有机分子、焙烧过程的温度和升温速率调节碳化的速率和效率，进而控制产物的形貌、大小、组成成分和晶体结构。（2）掌握了碳化钼的特征电化学行为，明确了复合材料中碳化钼晶粒大小和晶体结构对锂离子存储性能的影响。（3）深化了对碳化钼储锂机理的认识。通过原位XRD监测装置的建立，确定了锂离子在Mo2C晶格中的可逆脱嵌。（4）将碳化钼结构设计思路和实验方法拓展到钼基氧/硫化物、锡基氧/硫化物等电极材料，获得了一系列具有高容量、高倍率、长循环寿命的锂/钠离子电池电极材料和高活性的电解水催化剂。（5）在Angew. Chem. Int. Ed.、Electrochim. Acta、ACS appl. Mater. Interfaces、Energy Environ. Mater. 等国内外SCI杂志上发表标注论文26篇（含ESI高被引论文3篇），申请发明专利5项，获批发明专利2项。(6) 培养博士研究生3人，硕士研究生6人。