体积膨胀限域的碳纳米管完全包覆锡基合金锂电池负极材料的设计合成和储锂机理研究

锡基负极材料在高能量密度锂电池研究中有重要的研究意义,但是常规锡基材料普遍存在难以克服的大体积膨胀，导致电极结构的不稳定和容量的快速衰减。本项目拟设计合成国内外尚无报道的非晶态碳纳米管完全包覆锡基合金粒子的新颖结构, 实现对包覆结构的包覆程度,组分形貌和尺寸的可调控,重点揭示探索该完全包覆新颖结构在锂离子的扩散，插入，析出和储存的机理。我们认为碳管完全包覆锡基材料结构的以下特点和优点值得重点关注:1) 锡基合金纳米粒子被完全地分散吸附在碳管的内表面上，储锂时的体积膨胀被限制在碳管的管腔内, 并在管腔的剩余空间体积里得到充分的缓解，引起的内应力也将大为减弱并且更加均匀，从而能被整体碳管包覆结构所消化吸收；2)除了限制粒子的团聚长大和提高电导性, 碳纳米管还能重新捕获那些可能离开内表面但仍受限在管腔内的合金粒子,长久保持碳材料负载提高锡基材料循环寿命的正面效应。

本项目工作已经成功合成出一系列的纳米管包覆高容量负极复合材料，包括碳纳米管(carbon nanotube, CNT)包覆Sn基纳米粒子、CNT包覆CoO纳米棒、石墨烯(graphene nanosheets, GNS)负载的CNT包覆Sn基复合材料，并且它们的纳米管材料的长度，管径，定向性等等都可以有效控制，而且碳管的包覆程度都接近100%；将所得到的这些负极材料应用在锂离子电池上作为负极材料，发现它们一般具有相对纳米粒子更好的循环性能和较高的储锂容量。循环性能最好的石墨烯负载的Sn-CNT电化学储锂性能更加优异，经过100个循环后，可逆比容量仍然高达980 mAh/g，远高于一般石墨和Sn负极材料的储锂容量。