硬炭负极材料锂离子低温扩散机制及其制备研究

Hard carbon is one of the most promising anode materials for low temperature power lithium ion batteries. The diffusion of lithium ions in low temperature is the key to restrict the application of hard carbon materials, and the diffusion mechanism of lithium ions in the structure of hard carbon under low temperature ( -70℃) is lack of systematic research. The project is to be classified according to the location of hard carbon reversible lithium storage, using the first principle and the molecular dynamics calculation method, the structure characteristics of lithium stored in hard carbon and lithium ion diffusion in different lithium intercalation state are studied. The model carbon was prepared by experimental method to study the structure change of lithium storage position and the law of lithium ion diffusion under different lithium intercalation conditions. The theoretical calculation and experimental research are combined to obtain a more systematic lithium ion diffusion mechanism of hard carbon structure. Under the guidance of the diffusion mechanism, the method of mixing precursor carbonization is used to adjust the precursor type, optimize carbonization process and modification method, to achieve the purpose of fixed excellent position structure of lithium storage and the relation between equilibrium and specific surface area. The project hopes to obtain the hard carbon anode material with small specific surface area, good low-temperature performance and the preparation method, which provides a theoretical basis for the development of high performance low-temperature hard carbon anode materials. The research of the project enriches the theory of low temperature diffusion of lithium ion in the structure of hard carbon, which is very important for the development of low temperature performance of lithium ion batteries.

硬炭是低温动力锂离子电池最有前景的负极材料之一，低温条件下锂离子扩散性能是制约硬炭材料应用的关键，有关低温条件下（-70 ℃）锂离子在硬炭结构中的扩散机制还缺乏系统研究。项目拟按照硬炭可逆储锂位置分类，采用第一性原理和分子动力学计算方法，研究硬炭储锂位置的结构特征以及不同嵌锂状态下锂离子扩散规律；采用实验方法制备模型炭，研究不同嵌锂状态下储锂位置的结构变化以及锂离子扩散规律；再将理论计算和实验研究相结合，获得较为系统的硬炭结构中的锂离子扩散机制。在上述扩散机制指导下，采用混合前驱体炭化的方法，通过调整前驱体种类，优化炭化工艺及改性方法，达到固定优良储锂位置结构，平衡与比表面积关系的目的。以期获得比表面积小、低温性能优良的硬炭负极材料及其制备方法，为高性能低温硬炭负极材料的开发提供理论依据。项目的研究丰富了硬炭结构中锂离子低温扩散理论体系，对促进动力锂离子电池低温性能发展具有重要意义。

锂离子电池的负极材料是限制电池低温性能的重要瓶颈之一。炭材料的结构对锂离子电池电化学性能，尤其是低温性能有显著的影响。探索低温下不同炭材料结构中的锂离子扩散机制，设计研发适合低温性能的炭负极材料，是提升锂离子电池低温性能的关键。以低温锂离子电池存在的实际问题为出发点，针对高性能低温锂离子电池硬炭负极材料的开发，项目以炭负极材料为研究对象，对比了晶体炭（石墨）和无定形炭（软炭和硬炭）的储锂性能及储锂机制，以及温度对电化学性能的影响；通过实验研究和理论计算进一步明确了无定形炭包覆层对锂离子炭负极材料性能提升的作用机制。通过不同的处理温度，获得了不同结构的硬炭材料，并研究了炭微观结构与性能之间的关系。以扩散机制为指导，调整前驱体种类、制备工艺、改性以及掺杂方法，平衡比表面积和储锂结构的关系，获得高性能低温锂离子电池硬炭负极材料及其制备机制。结果表明，无定形炭包覆材料低温电化学性能的原因是包覆层的存在降低了锂离子的扩散势垒。通过优化制备工艺，煤沥青炭在-40℃容量能够达到216 mAh/g，容量为室温的70.5%。C3N4和煤沥青混合前驱体热解炭在0.5C倍率下经过100次循环后容量剩余330 mAh/g，在-60℃仍能保持161mAh/g的容量，具有优良的大电流性能和低温性能。项目的研究为理清低温锂离子扩散与炭材料的结构的关系具有一定理论和应用价值，对促进动力锂离子电池低温性能发展具有一定推动作用。. 本项目在国内外期刊共发表21808095资助的论文15篇，其中SCI收录6篇，EI收录7篇；申请发明专利8项，已授权4项。获得2020年度中国商业联合会科学技术奖三等奖1项。培养博士后出站1名，硕士毕业研究生2名。