纳米Ni/Al-LDH/Graphene原位复合电极材料的制备、性能调控及机理研究

Because of only single electron redox reaction utilized in the conventional nickel electrode materials, the theoretical dishcarge capacity is low. In addition, the poor conductivity of nickel electrode materials is also a big problem for further improving the performance of nickel-based secondary batteries. The purpose of this project is to increase the discharge capacity by using the multi-electron transfer reaction in Ni/Al layer double hydroxide (Ni/Al-LDH). In particular, we proposed to enhance the electrical conductivity of Ni/Al-LDH by preparing Ni/Al-LDH/Graphene in-situ composites, and to improve the proton diffusion ability by tuning the interlayer structure of the Ni/Al-LDH. The relationship between microstrucres and macroscopic electrochemical performances of the prepared composites will be investigated by XRD,SEM, HRTEM, Raman, XPS, ICP, CV, EIS, charge-discharge tests, and first-principles calculations. The interface structure of the Ni/Al-LDH/Graphene composite and the mechanism of interlayer structure tunnning will be revealled at the stomic levels. The investigations of this project have important theoretical significance and practical value for further improving the electrochemical performance of nickel-cathode materials, and design, syntheis, and performance control of other novel organic/inorganic functional composites.

传统的镍电极材料仅涉及单个电子反应，理论比容量低、导电性差直接限制了碱性镍基二次电池性能的进一步提升。本项目基于Ni/Al层状双氢氧化物（Ni/Al-LDH）的多电子反应特性来构筑高容量镍电极纳米材料，特别是提出通过原位复合石墨烯（Graphene）和对Ni/Al-LDH进行插层结构调控设计来有效地提高镍电极材料电子导电性和质子扩散能力。利用XRD、SEM、HRTEM、Raman、FT-IR、XPS、ICP等物理表征，CV、EIS、充放电等电化学性能测试并结合第一性原理DFT理论计算研究Ni/Al-LDH/Graphene原位复合电极材料微观结构与宏观电化学性能的内在关系，在原子水平上分析揭示Ni/Al-LDH/Graphene复合材料的界面结构和插层结构调控的作用机理。项目研究对进一步提升镍电极材料的电化学性能以及新型有机/无机功能复合材料的设计制备和性能调控具有重要理论意义和应用价值。

α-氢氧化镍具有多电子反应特征，理论比容量高达480 mAh/g，有望成为替代β-氢氧化镍的新一代高容量电极活性材料。然而，α-氢氧化镍很容易转为β-氢氧化镍，使其电化学活性急剧衰减；此外，α-氢氧化镍较低的质子扩散能力和不良电子导电性直接限制了其倍率性能。本项目通过Al取代提高α-氢氧化镍的相结构稳定性，通过复合纳米碳材料和插层结构调控改善α-氢氧化镍的导电性和质子扩散能力，结合第一性原理计算分析材料微观结构和电化学性能的内在关系。取得的重要结果有：（1）研究揭示了Al取代量对氢氧化镍相结构、组成、振实密度和电化学性能的影响规律及机理，发现铝取代量为15%时样品具有纯α相结构和最佳的电化学性能（放电比容量高达324 mAh/g）。（2）采用简便的化学沉淀法制备了氢氧化镍/Graphene和氢氧化镍/MCNTs复合材料，发现复合适量的纳米碳材料可有效地提升氢氧化镍的电化学性能。例如MCNTs复合量为3wt%的氢氧化镍在2 A/g的高电流密度下，其稳定放电比容量仍保持在288 mAh/g，而纯氢氧化镍的放电比容量仅为205 mAh/g。（3）通过离子交换法可控构筑了层间分别含有NO3-、Cl-、OH-、SO42-、CO32-和PO43-的Al取代α-氢氧化镍，发现插层阴离子对材料层间距、层间水含量、质子扩散速度、电化学反应可逆性以及放电容量和电化学循环稳定性等都有重要影响。其中Cl-插层的Al取代α-氢氧化镍具有最高的放电比容量和最佳的电化学循环稳定性，而PO43-插层的样品电化学性能最差。（4）设计制备了β-氢氧化镍包覆的Al取代α-氢氧化镍，该材料集成了β-氢氧化镍的高稳定性和α-氢氧化镍高活性的优点，表现出高电化学反应活性和优异的循环稳定性，在0.5 C下循环100圈其容量保持率为92.5%，而未包覆的α-氢氧化镍容量保持率仅为53.6%。此外，还对氢氧化镍作为锂离子电池负极材料进行了探索研究，发现氢氧化镍具有很高的嵌锂活性（在50 mA/g电流密度下放电比容高达1500 mAh/g），但循环性能不佳，通过合理的结构设计和调控能显著提高其循环稳定性，表明氢氧化镍也是一种非常有应用前景的锂离子电池电极活性材料。项目研究结果对深入理解氢氧化镍的构效关系和电化学性能优化具有一定的指导意义，同时对氢氧化镍在锂离子电池、超级电容器等领域中的应用也具有积极的借鉴作用。