掺杂对于锡基钠米复合材料储钠性能的影响及机理研究

Tin-based anodes always show low actual sodium storage capacities and poor electrochemical performances in sodium storage application, which could be attributed to the limitation of electrochemical reaction kinetics and huge volume changes during sodium storage cycles. This research will start from assembling SnO2 nanocomposites, and investigate the effect of dopings (atomic substitution, interstitial atom and amorphization Implantation) to microstrures, physicochemical property and the corresponding electrochemical performance and kinetics in respects of theories and experiments. In the meantime, in-situ studies will be carried out to investigate the relationship between microstructure changes and electrochemical performance, then try to optimize microstrures to enhance microstructure stabilities and electrochemical performances. This research aims to solve questions as below: (1) Mechanisms of element doping to SnO2 nanocomposites. (2)Relationships between microstructure and electrochemical performances. (3) Effects of doping to the performance enhancement and failure mechanisms of SnO2 nanocomposites. When this project put in to practice, it will provide a new study idea to improve the sodium storage properies, electrochemical performances and microstructure stabilities of tin based nanocompostes in sodium storage application.

不良的反应动力学和充放电过程体积的骤变是造成锡基负极材料实际储钠容量受限和电化学性能表现较差的主要原因。本研究从构建SnO2纳米复合材料出发，从实验和理论两个方面系统地研究三类掺杂（原子取代、间隙原子、非晶化掺杂）对SnO2纳米复合材料结构缺陷、理化性质的影响，并开展电化学和动力学行为研究，同时通过建立储钠过程中的实时微观结构演变观察，弄清材料的构效关系，优化电化学和动力学性能，提升微观结构稳定性。本项目将解决以下问题：(1)锡基纳米复合材料掺杂改性机理；(2)微观结构和电化学性能的构效关系；(3)纳米复合、掺杂改性对于结构稳定性的影响机制及材料失效机理。本项目的实施将为提升锡基纳米复合材料储钠电化学性能和优化材料微观结构提供新的解决方法。

本研究从构建SnO2纳米复合材料出发并对其掺杂改性，研究掺杂对于SnO2纳米复合材料微观结构、理化性质、电化学及动力学行为特征的影响。系统的研究了原子取代、间隙原子、非晶化掺杂对于SnO2纳米复合材料储锂、储钠电化学性能的影响机制。同时探索掺杂型SnO2纳米复合材料的新型制备工艺路线及微观结构调控规律，建立了微观结构调控结合元素掺杂调控SnO2纳米复合材料储锂、储钠电化学性能的一套方法，并在一定程度上揭示了结构和缺陷对于材料服役期间电化学性能的影响和性能退变的机制，完善了锡基材料电化学性能调控的相关理论。项目的主要研究内容如下：1. 研究Co3+、Mo6+、Sb3+取代离子、C间隙原子和氧空位缺陷等掺杂改性方法对于材料结构和性能的影响规律；2. 锡基复合材料的雾化燃烧、Sn-MOF前驱体转换等新型制备方法，研究微观结构与电化学行为表现的特征；3.研究锡基材料固溶改性的原理及电化学性能“协同作用”提升机制。4. 研究锡基材料结构缺陷的拉曼、TEM及原位谱图表征方法。在本项目的资助下，共发表SCI论文9篇，授权专利3项，培养研究生5名。