锂离子电池碳负极的表面修饰与自组装及负极/电解液界面的功能化设计

锂离子电池是目前最先进的具有高能量密度、环境友好的化学电源体系。其负极/电解液界面(SEI)的性能是影响锂离子电池安全性及电化学性能的最重要因素。本研究首先在碳材料表面及电解液溶液中引入示踪原子，研究SEI的组成及转化规律，建立以示踪原子为基础的研究实际锂离子电池体系负极表面SEI组成、结构及转换的可靠分析方法；之后在碳材料表面设计并制备具有热、化学或电化学稳定性的自组装单层或多层，进一步设计能与自组装组分相互作用的功能型电解液添加剂，从电极、电解液两方面全面研究其作用机理并实现对电极/电解液溶液界面的功能化设计。本项目的实施将有助于基于示踪原子研究思想的SEI分析方法的建立，实现对锂离子电池碳负极表面SEI的组成、结构及转换机理的深入了解，为开发高性能的负极、电解液及其添加剂提供理论指导，促进锂离子电池、特别是动力电池的研究、开发及产业化，对电极/电解液界面的理论发展具有重要意义。

在前期采用硫原子为示踪剂分析SEI组成结构的基础上，本项目系统分析了温度对湿法氧化天然石墨的电化学性能，证实了适度增加温度可以有效提高湿法氧化天然石墨的电化学性能，主要原因在于SEI组成之一的醚氧键增加从而提高了SEI的稳定性；系统分析碳材料种类、含量对Li4Ti5O12电化学性能的影响，并进一步采用水解在球形天然石墨表面形成TiO2，之后在高温条件下生成Li4Ti5O12包覆的天然石墨，该方法使天然石墨大电流充放电性能、循环稳定性都得到提高：在2C条件下的可逆容量提高超过60%，而50次循环总不可逆容量较包覆前降低7.7%；Li4Ti5O12含量为10wt.%在含30%PC的电解液中也具有良好的循环性能，性能提高的主要原因在于Li4Ti5O12在石墨的充放电电位区间是具有接近金属电导率的嵌锂态，从而可使电导率较基面低5000倍充当锂离子嵌脱通道的边缘面的导电性得到提高，而作为与电解液直接接触的包覆层也改善了天然石墨与电解液的相同性。同时，在项目的资助下，课题组还探索了基于硅包覆碳材料（天然石墨、中间相碳微球、多层石墨片等）的电化学性能，使得复合材料的可逆容量有较大提高并具有较好的循环性能；制备的Sn-Co-Ti合金具有高达580.1 mAh g-1的可逆容量且具有良好的循环性能；另外还探索了FeS负极的表面改性，表明控制其充电产物的形貌、粒径和导电性可望提高其循环性能，该结论有望在锂硫电池硫正极的开发中具有指导意义。