高性能碳/钛基钠离子电池负极材料的基础研究

Uniform carbon quantum dots with controllable sized will be obtained， and the corresponding formation mechanism of carbon quantum dots will be explored;To realize the conversion from 0D carbon quantum dots to derived carbon materials doped with heteroatoms (1D nanowires, 2D nanosheets and 3D nanoframeworks), the formation mechanism and influences of the derived carbon materials will be investigated. The relationship between the morphology, surface structure, specific surface area, surface functional groups and electrochemical sodium storage performances will be revealed. Ti3+ self-doped and heteroatom-doped TiO2 nanomaterials will be designed, and the influences of doping on crystal structure, structure stability, conductivity, Na+ diffusion coefficient and sodium storage process of TiO2 will be examined. Based on these, the carbon/TiO2 composites will be constructed and the inner connections between the interfaces structure of the composites and electrochemical performances will be illustrated. Finally, the optimal TiO2/carbon composites with best electrochemical sodium storage performances will be abstracted, providing theoretical and technical guidance for developing high-energy and high-power sodium-ion batteries.

本项目拟采用羟醛缩合/聚合反应制备尺寸均匀且可调控的碳量子点，并研究其形成机理，实现从零维碳量子点到一维纳米线、二维纳米薄片、三维纳米框架等衍生碳材料的结构转变；并引入杂原子掺杂，探索系列衍生碳材料的形成机制及影响因素，揭示其形貌、表面结构、比表面积、表面官能团对电化学储钠性能的影响。设计三价钛自掺杂及杂原子掺杂的系列二氧化钛纳米材料，考查掺杂对二氧化钛晶体结构、结构稳定性、钠离子扩散系数以及储钠过程等的影响。在此基础上，构筑多维碳材料/二氧化钛复合材料，阐明低维二氧化钛纳米材料与碳材料的界面结构与电化学性能之间的内在联系。最终获得电化学储钠性能最优的二氧化钛/碳复合材料的技术方案，为开发高能量、大功率钠离子电池提供理论技术支持。

由于商业化锂离子电池的石墨负极储钠容量低、稳定性差，传统石墨材料无法直接用于钠离子电池负极。本项目通过维度调控、杂原子掺杂、孔隙构筑等设计了系列功能碳/钛基钠离子电池负极材料，并系统研究了其储钠电化学行为。项目主要成果有：1、通过碳点与金属氯化物均匀混合后高温热处理，分别获得了一维碳纤维、二维碳纳米片及三维碳框架，探究了金属氯化物在高温下诱导碳点组装、生长为不同维度碳材料的过程机制，系统研究了三种维度碳材料的电化学储钠性能。2、通过丙酮与氢氧化钠以及苯磺酸、苯膦酸混合反应后得到碳点，然后原位高温热处理分别构建了硫掺杂碳、磷掺杂碳以及磷硫共掺杂碳，探究了杂原子源的引入对碳点衍生碳材料微观形貌结构的影响。3、以碳点为前驱体，在SiO2模板的调控下制备了蜂窝状多孔硬碳材料，能够提供大的电极/电解液接触面积和更多活性位点，进而提升碳材料的电化学储能性质。4、碳点在热解过程中产生的气体作为造孔剂，可在碳壁上引入大量的微孔，进一步促进了电化学性能的提高。5、通过杂原子掺杂和结构设计的方法，获得了氮磷硫三掺杂的多级中空囊泡状碳材料。6、采用原位构建MOF的方法，制备了系列MOF衍生碳基复合材料，包括矩阵碳包覆的晶红石型TiO2纳米复合材料（CRT）和富氮碳包覆的CoSnO3中空纳米杂化材料（CoSnO3-NC）。7、采用凝胶-溶胶法制备了实心TiO2，再以NaF和PVP在水热条件下获得空心的TiO2，最后使用PVDF作为碳源，获得了空心TiO2/C复合材料。8、基于CASTEP方法的DFT计算结果表明氧空位能够提高TiO2(B)的电子传导率，氧空位在O3f位置所形成的晶体结构最稳定，且嵌钠能垒比本征TiO2(B)的嵌钠能垒更低。9、以碳量子点为碳修饰剂及功能诱导剂，合成了部分碳键结合的多层级TiO¬2/C复合材料，并探究了其缺陷及界面结构对电子传导及钠离子传输动力学的影响。本课题相关研究成果已发表SCI论文15篇，申请中国发明专利11项。