高分子水凝胶体系中高容量负极材料的多重调控及其储锂性能研究

The nanocomposites of CNTs/netlike cross-linked carbon/inorganic materials will be synthesized by the growth of inorganic nanomaterials in macromolecule hydrogel loaded with CNTs networks and further in-situ carbonization of hydrogel macromolecule. In the process, the controllable growth of inorganic nanomaterials can be realized in the special liquid environment provided by the macromolecule hydrogel system, the netlike cross-linked carbon as buffer materials can be obtained by the in-situ carbonization of hydrogel macromolecule and the improved conductive properties can be achieved due to the pre-loaded CNTs networks. As a result, the cycling performance and rate capability of the high-capacity inorganic anode materials should be markedly improved by multiple control including the morphology/structure control of inorganic nanomaterials, the providing of buffer materials and the improvement of the conductive properties. The project will explore the influence of the loaded CNTs and crosslinking degree to the three-dimensional network structure of different macromolecule hydrogels, the growth mechanism of different inorganic nanomaterials in these novel synthetic systems and the roles of morphology heredity and structure evolvement of hydrogel macromolecule during in-situ carbonization. Finally, we will obtain the high-capacity CNTs/netlike cross-linked carbon/inorganic materials anodes with excellent cycling performance and rate capability. The results are important for exploring new route to further expand the potential applications of high capacity anode materials for lithium-ion batteries.

本项目提出在负载碳纳米管的高分子水凝胶体系中合成无机物纳米粒子，进一步通过水凝胶的原位碳化获得CNTs/网状交联碳/无机物纳米复合负极材料。在此过程中，通过水凝胶体系提供的特殊液相环境实现无机物纳米粒子的可控合成，通过水凝胶高分子的原位碳化获得网状交联碳作为缓冲基体，通过碳纳米管提供的导电网络改善复合材料的导电性能，从而实现从形貌结构调控、提供缓冲基体、改善导电环境等多重角度共同改善高容量负极材料的循环性能和快速充放电能力的目的。探索不同种类水凝胶中碳纳米管的添加以及交联度变化等对水凝胶三维网络结构的影响；揭示不同无机物纳米粒子在高分子水凝胶这一新体系中形核生长的基本规律；阐明水凝胶高分子原位碳化过程中网络形态遗传、微观结构演变的规律；最终获得具有优异循环性能和快速充放电能力的高容量CNTs/网状交联碳/无机物复合负极材料。所得结果将为充分拓展高容量无机物负极材料的应用潜力探索新途径。

为改善高容量负极的材料的循环稳定性和倍率特性，本项目提出在高分子水凝胶体系中合成无机物纳米粒子，原位碳化后获得纳米粒子/碳复合负极材料以提高循环稳定性，此外，通过水凝胶中导电网络的构筑以改善导电性能，从而获得具有优异循环性能和倍率特性的高容量复合负极材料。为实现这一目标，本项目通过制备各种水凝胶，找到了适合本项目工作开展的水凝胶种类，研究了各种制备条件对水凝胶三维网络形成以及网络结构变化的影响规律；在水凝胶中负载了各种无机纳米粒子，并通过研究各种制备条件对形核和生长过程的影响，揭示了其生长规律与机制；对制备的各种复合材料进行了电化学性能测试，研究了无机纳米粒子形貌、尺寸、含量等与电化学性能之间的内在联系；利用石墨烯构筑了导电网络，并对其形成规律以及电化学性能进行了研究。利用本项目方法制备的无机纳米粒子尺寸细小、分布均匀且含量易控，有些还具有独特的取向复合，因此，所制备的复合材料均表现出优异的循环性能和良好的倍率特性。其中，Co3O4/C复合材料在100mA/g下充放电，190次循环后容量高达905mAh/g，在2000mA/g下充放电，500次循环后容量保持在561mAh/g；MoS2/C复合材料在200mA/g下充放电，400次循环后容量高达1400mAh/g，在4000mA/g下充放电，容量仍保持在550mAh/g左右；SnO2/C复合材料在100mA/g下充放电，220次循环后容量仍保持在600mAh/g左右；C/SnO2/rGO复合材料在100mA/g下充放电，50次循环后容量保持在970mAh/g左右，1000mA/g下充放电，500次循环后容量保持在480mAh/g左右。以上复合材料的性能在非石墨烯、碳纳米管基复合材料中，与国内外最新研究结果相近或更优，而且由于本项目在制备方法上的优越性，使得其具有重要的科学意义和实际应用前景。