过渡族金属碳酸盐负极材料储锂机理及性能优化

Li-ion battery with environmental friendliness and high electrochemical capacity. However, with the ambiguous electrochemical reaction mechanism, the optimizing and application of the carbonate anodes have been restricted. This project focuses on the reaction mechanism of the transition metal carbonates. Feasible research plans are employed to synthesize the transition metal carbonates (single metal and single-phase mixed metal carbonates) with controllable construction and component. Based on the electrochemical analysis, in-situ characterization (XRD, XAFS and FTIR), ex-situ characterization (HRTEM and XPS) as well as the theoretical calculation, the phase evolution of the transition metal carbonates during the electrochemical process are analyzed to understand the dynamic behavior and the key influence factors. The electrochemical reaction mechanism of the transition metal carbonates and the synergistic effect of the mixed metal carbonates are revealed. The relationship among the component/microstructure/performance is built to instruct the optimization of the performance. Moreover, the composites of transition metal carbonate modified by lithium carbonate to form an artificial SEI film are constructed, which can improve the initial coulombic efficiency of carbonate anode materials. The success of this project will boost the in-depth understanding of the Li+ storage mechanism and provide theoretical guidance and scientific basis to design of high-performance transition metal carbonates.

过渡族金属碳酸盐（MCO3，M=Mn, Co, Fe, Ni等）是一种极具潜力的锂离子电池负极材料，具有绿色环保，价格低廉，比容量高等特点。但由于电化学反应机理尚不明确，制约了碳酸盐负极的优化及应用。本项目将重点研究过渡金属碳酸盐的储锂机理。拟通过过渡金属碳酸盐（单金属、单相多金属）的结构和组分可控制备，采用电化学分析、原位表征（XRD、XAFS，FTIR）、半原位表征（HRTEM，XPS）和理论计算相结合，系统研究电化学过程中过渡族碳酸盐的物相和结构的演变，阐明其动力学行为及关键影响因素，揭示过渡族碳酸盐的电化学反应原理和单相多金属碳酸盐协同增强内在机制，指导性能的优化。制备碳酸锂修饰过渡金属碳酸盐复合材料，构建人造SEI膜，提升碳酸盐负极材料的首次库伦效率。通过本项目的研究，可促进对碳酸盐储锂特性的深入理解，为高性能过渡金属碳酸盐负极材料设计提供理论指导和科学依据。

随着新能源汽车、电子设施等的发展以及其对高能量密度和高功率密度储能器件的需求，锂离子电池和混合离子电容器近年来被广泛关注。两者的主要组成均为正极、负极和电解液。其中，负极材料的结构设计和成分调控对器件的最终性能具有重要影响，而深入理解电极材料的电化学反应机理及影响因素对更好的实现材料设计和调控具有重要指导意义。.山东理工大学材料科学与工程学院张睿负责的国家自然科学基金，围绕锂离子电池和混合离子电容器的电化学性能提升方面，通过对负极材料的结构设计、形貌调控、成分优化等方面展开系统研究。重点集中在揭示材料的电化学反应机理，提出多级结构设计、多成分调控的策略，开展了材料微纳结构设计，多金属离子复合以及杂原子掺杂调控，电化学机理探索等研究，成功制备出一系列具备多级结构和复合组分的电极材料，如不同孔结构CoCO3，二维纳米片组装而成的钒酸锌，二维结构的硫化物、硒化物，以及不同形貌和结构的硬碳材料。上述材料均表现出优异的电化学性能。在材料调控的基础上，利用电化学表征的深入解析（循环伏安测试、恒电流充放电、恒电流间歇滴定技术、容量差分电位曲线、化学阻抗测试），结合原位表征（原位红外、原位拉曼、原位阻抗测试）等，实时/精确的观测反应过程，揭示了碳酸盐的多步反应机制，多金属化合物协同增强效应，SEI膜的致密化影响因素等，发展了提升锂离子电池和混合离子电容器的电荷/离子传输效率，增强电极微纳结构，高效电解质选择等综合策略，为实现具有高性能、低成本的电化学储能器件的设计提供重要的理论指导。