磷-碳基复合结构锂离子电池负极材料的结构调控与性能研究

发展高比容量、高循环稳定性的负极材料是锂离子电池研究也是功能材料化学研究的前沿课题之一。红磷价格低廉且理论比容量高达2594 mAh/g，但由于电导率低和锂化过程中粉化严重，其电化学储锂的动力学性能和循环性能较差。针对该问题，本项目设计一种纳米磷-碳基复合结构的新型负极材料，通过将红磷纳米化并均匀分散在碳基导电网络中，形成异质界面结构，增强电接触并抑制粉化，从而大幅度提高电化学动力学性能和循环性能。拟通过气相沉积法和原位反应法制备负载型和接枝型纳米磷-碳基复合材料，探讨制备过程中纳米结构的调控规律和纳米及界面结构对性能的影响。通过调控纳米复合结构，以获得一种比容量高、循环稳定性好的新型负极材料。本项目的开展加深了对异质材料界面化学的理解，通过材料化学与电化学研究的融合，推动了无机纳米材料在锂离子电池中的应用，并为开拓其他新型电极材料的研究奠定基础。

按照项目研究计划和方案，不仅获得了预期的研究成果，还拓展了新内容，在国际上率先报道了高比容量、高循环稳定性的磷@碳微纳复合结构的可逆储锂材料，在锂离子电池负极材料应用方面表现出了非常好的应用前景。通过微纳复合结构，克服了红磷导电性差、锂化前后体积变化大、产物易溶于电解液的问题，从而成功将价格低廉的红磷应用于锂离子电池负极材料；建立的红磷催化气相沉积制备技术，不仅通过短时间中低温气相沉积即实现了纳米红磷@碳复合材料的制备，研究结果还有望为工业红磷的低能耗制备技术研发提供新思路；通过调控多孔碳基体、气相沉积条件和催化剂，建立了红磷纳米结构的调控规律，实现了对磷@碳复合材料比容量及倍率性能的调控；通过调控碳基体表面官能团，实现了红磷与碳基体相容性的调控，建立了纳米界面结构对性能的影响规律；通过揭示电化学反应机理，研发出了电解液添加剂，有效提高了脱嵌锂反应动力学。.本项目的研究结论丰富了对无机磷材料的反应化学和制备化学的认识，加深了对异质材料界面化学及电化学界面反应的理解，推动了无机纳米材料才锂离子电池中的应用，并为开拓其他新型电极材料的研究提供了理论依据。.本项目期间获发表及被录用的标注本项目号的SCI论文共18篇；已获授权的中国专利有2项，另有2项美国专利已获公开；培养在站博士后1名、在读博士生3名、硕士生2名；项目负责人在2012年第16届国际锂离子电池大会上，从1000余名参会者当中脱颖而出，获得大会的优秀论文奖“Young Investigator Award”。