新型核壳结构氧化铜/导电聚合物纳米复合材料的设计合成与锂电池应用

Organic-inorganic functional nanocomposites are one of the latest research subjects in advanced energy storage materials. Development of conducting polymer/metal oxide nanocompoiste electrode materials with low cost, light weight, structural stability, good electrical and electrochemical properties is significant importance for promoting the progress of lithium batteries.In this proposal, solid and hollow one-dimensional coppor oxide (CuO) nanostructures are employed as novel wire-templates, while conducting polymer layers are covered on them by in-situ chemically oxidative polymerization,resulting in the innovative design and synthesis of a series of core-shell CuO/conducting polymer binary anode materials at micro-nanoscale level. On this basis,ternary nanocomposite anode materials are further fabricated by the deposition of silicon or tin materials on the core-shell CuO/conducting polymer nanostructures. The synthesized materials in this system combine both advantages of flexible conjugated polymers and rigid metal oxides, which can effciently solve the problems of rapid capacity decay and cycle instability in transition metal oxide electrodes. By exploring the relationship between the structures (composition, morphorlogy and size) of the target materials and their physical-chemical properties such as electrochemical, electric and thermal proerties, as well as various performance parameters of the lithium battery device, we will provide novel strategies and methods for processing lithium battery anode materials with low-cost, high energy-storage capacity, high cycle stablity and good rate capability.

有机-无机纳米复合功能材料是先进能源存储材料的最新研究方向之一，开发出成本低、重量轻、结构稳定、电学和电化学性能良好的导电聚合物/金属氧化物有机-无机纳米复合电极材料对于进一步推动锂电池的发展具有重要意义。本项目提出以实心和空心一维纳米结构氧化铜(CuO)为新颖的线模板，原位化学氧化聚合制备导电聚合物涂层，创新性地设计合成一系列具有核壳结构的CuO/导电聚合物二元复合微纳米负极材料。并在此基础上，通过负载硅或锡等单质材料获得基于CuO/导电聚合物核壳结构的三元复合纳米负极材料。该体系材料兼顾柔性共轭聚合物和刚性金属氧化物的优点，能够有效解决过渡金属氧化物电极比容量快速衰减和循环不稳定的问题。研究目标材料结构（组成、形貌和尺寸）与其电化学、电、热等理化性质以及锂电池器件各性能参数之间的关系，为寻找低成本、高储能容量、高循环稳定性和良好倍率性能的锂电池负极材料提供重要的设计方法与制备工艺。

锂电池是新一代储能器件，在清洁能源的利用中发挥着重要作用。近些年来，氧化铜（CuO）因其成本低廉、理论比容量高、环境温和等优点，被广泛应用于锂电池负极材料的研究。然而，制约CuO电极的主要问题在于材料自身较低的电导率和结构的刚性，使之充放电过程中比容量衰减快和循环稳定性差，这也是大部分金属氧化物电极急需解决的共性问题。.本项目针对这些问题，围绕新型核壳结构CuO/导电聚合物纳米复合材料的合成、调控和锂电池应用展开研究。主要内容包括：（1）CuO纳米材料的设计合成和结构表征；（2）新型核壳结构CuO/导电聚合物纳米复合材料的调控制备与结构表征；（3）目标负极材料的理化性质研究以及在锂电池储能器件中的应用；（4）过渡金属氧化物与有机聚合物的界面相互作用特性及电荷传输机制。.本项目取得的重要结果和关键数据包括：（1）合成并表征了一维叶状CuO纳米带、CuO纳米管和一系列新型核壳结构CuO/聚吡咯（PPy）纳米复合材料；（2）对比了CuO纳米带和CuO/PPy纳米复合材料在锂电池中的应用，发现核壳结构的形成对负极材料充放电比容量、循环稳定性的提高尤为关键，核壳结构CuO/PPy负极材料的初次放电比容量和可逆比容量可达1114和760 mAh g-1，远优于单纯CuO和非核壳结构CuO/PPy材料；（3）合成与表征了三维花状CuO微球和一系列三维核壳结构CuO/聚苯胺（PANI）微球；（4）发现导电PANI壳层对三维核壳结构CuO/PANI微球的储锂性能至关重要，其中8wt.%PANI涂层的核壳结构CuO/PANI微球可显著提升锂电池的电化学性能、充放电比容量、循环稳定性和倍率性能；（5）探索了过渡金属氧化物与有机聚合物等在有机-无机界面的相互作用特性以及电荷传输性质，获得了系列高效率的有机太阳能电池器件；（6）发表SCI收录论文3篇（已标注，影响因子均> 4.0），培养硕博士研究生5名。.本项目深入理解了金属氧化物/导电聚合物核壳结构的可控合成策略和界面影响内涵，实现了结构稳定、性能良好的有机-无机纳米复合材料，该类新型核壳结构负极材料兼顾柔性共轭聚合物和刚性金属氧化物的优点，能有效解决金属氧化物电极比容量衰减快和循环不稳定的问题。因此，该研究有助于推动金属氧化物电极和高性能锂电池的发展，也将为其它新型核壳结构材料的开发与能源器件应用提供理论依据和技术支持。