多孔碳球配合醚类电解液的储钠机理研究

Recently, sodium-ion batteries (SIBs) have attracted considerable attention due to the rapid increase of the demand for large-scale energy storage, which stems from the development of electric vehicles and the smart grid. Carbon materials as anode of SIBs have gained much attention due to their structural and electrochemical stability and many researches have been reported up to now. Despite the above-mentioned progress, carbon materials as SIBs electrodes generally deliver low specific capacity, low initial Coulomb efficiency and exhibit poor rate performance, which limit their applications in SIBs. This project is proposed on the basis of our previous work to solve several key issues for SIBs: (1) Realize the controllable modulation of porous carbon spheres via liquid phase process. (2) Optimize specific capacity, Coulomb efficiency, rate performance and cycle stability of porous carbon spheres for SIBs with ether-based electrolyte. (3) Investigate the co-intercalation process of sodium ion/solvent and the microstructure change of electrode materials; clarify the co-intercalation behavior of ether-based electrolyte and its impact on the sodium ion transport properties; analyze the forming process and composition of the solid electrolyte interphase film to reveal its evolution process with ether-based electrolyte. This project is expected to greatly improve the related technologies of SIBs and promote its application in energy storage field.

随着电动汽车的推广以及智能电网发展，人们对大规模储能的需求迅速增加，使得钠离子电池迅速发展并成为了目前的储能领域的一个重要方向。碳材料作为钠离子电池中最常用的负极材料，也已经得到许多课题组的关注。本项目拟在前期工作的基础上，对多孔碳球配合醚类电解液在钠离子电池领域进行系统研究，解决目前所面临的几个关键问题：(1) 采用液相法制备多孔碳球，实现对多孔碳球的形貌结构、尺寸的可控调制。(2) 采用醚类电解液改善多孔碳球的电化学性能，实现比容量、库伦效率、倍率性能和循环性能最优化。(3)深入研究钠离子/溶剂的共嵌入过程及电极材料微观结构的变化；阐明醚类电解液的共嵌入机制及其对钠离子输运的影响；分析SEI膜的形成过程其及结构，揭示在醚类电解液下SEI膜的演变过程。预计本项目将极大地完善钠离子电池相关技术，推动其在储能领域中的应用。

随着大规模储能时代的到来，开发高性能的廉价储能系统成为了当前的重要工作。钠离子电池由于其原料丰富且价格便宜，成为当前高性能廉价储能系统的首选。但是，由于过大的离子半径，选择合适的负极材料依旧比较困难。项目完成人通过选择多孔碳球进行优化，并协同电解液进行深入研究，已取得一些非常有意义的研究成果，并掌握了多孔碳球、多孔碳以及多种多孔材料可控合成的关键技术，并通过一系列表征手段研究其生长过程。在将其用于钠离子电池并通过优化电解液，实现其在钠离子电池中电化学性能的显著性提升，并探索了其电化学增强性能的规律其电化学反应机制。重要研究成果包括：1. 开发出配合物一步热解制备异质元素掺杂多孔碳的制备方法，并实现其硫掺杂对钠离子存储增强性能的分析；2. 显著提升多孔碳球的储钠能力，在在100 mA g-1的电流密度下循环50次后其可逆比容量依旧高达520 mAh g–1，且具有优异的倍率性能；开发出多种包括原位拉曼、原位可视化系统等原位器件用于实时分析其电化学反应过程。同时，在本项目经费的资助下，项目完成人也拓展了一些研究内容，具体包括醚类电解液在钾离子电池领域的研究，氧/硫化物的进一步优化及电化学性能分析等，相关工作同样也取得了一些前沿性的进展与突破。在本项目的资助下，项目完成人已以第一作者或通讯作者发表高水平论文16篇，其中影响因子超过10的论文有7篇，申请发明专利8件，并培养了谢俊鹏、李晓丹、刘于金、雷航、卓闻琛、李志斌等多位学生，完成项目书上的各项指标。