石墨烯基锂离子电池负极材料嵌锂、脱锂行为的原位透射电子显微学研究

Investigation on the work process of graphene-based nanomaterials as li-ion battery anodes at atomic scale plays an important role in electrochemistrical, materials, and physical fields. We herein propose to study the graphene-based nanomaterials during its lithiation and delithiation processes by using in situ transmission electron microscopy (TEM). SEI film will be studied and the factors which can affect it will be discussed. The nanoparticles will be charged and discharged using graphene as supporting materials and its microstructures will be discussed.The relationship between coating quanlity of graphene and the charging properties (lithiation mechanism, speed, and volume expanding ratio) will be studied. MD simulation will also be employed to explain the related results. This proposal will play an important role in the working mechanism of graphene-based anodes as well as the improvement of the li-ion battery property.

本项目基于原位电子显微学技术，将具有皮米分辨的球差校正透射电子显微镜作为开展原位动态表征实验的研究平台，构建以石墨烯基纳米材料为负极的锂离子电池原型器件，实现原子尺度下石墨烯基负极材料工作过程的原位动态表征与实时分析。观察石墨烯基纳米复合材料固体电解质界面（SEI）膜的形成，探讨SEI膜的影响因素及作用机理；借助石墨烯的担载作用，实现纳米颗粒嵌锂、脱锂动态过程的原位观察，分析纳米颗粒结构和组成的变化；改变石墨烯包覆方式，揭示石墨烯包覆对纳米颗粒嵌锂/脱锂机制、电化学反应速度及体积限域等方面的影响规律；结合计算机模拟，建立石墨烯基纳米负极材料工作原理的模型。本项目的研究不仅有助于理解石墨烯基负极材料的工作机理，阐明相关机制，更有助于指导石墨烯基复合材料的结构优化，提升锂离子电池性能，加速相关产业的发展。

电动汽车、便携式电子设备（平板电脑、智能手机等）等的快速发展对锂离子电池的容量、倍率性能等提出了越来越高的要求。锂离子电池的性能很大程度上受制于电极材料的性能，因此研发高容量、高倍率性能、高循环性能及高安全性能的电极材料依然是锂离子电池研究的一个重点。获得电极材料原子尺度的实时工作过程对理解锂离子电池负极材料的工作机理、改善负极材料的结构设计、提高锂离子电池的综合性能具有重要指导作用。本项目基于原位电子显微学技术，将具有皮米分辨的球差校正透射电子显微镜作为开展原位动态表征实验的研究平台，构建了以石墨烯基纳米材料为负极的锂离子电池原型器件，实现了原子尺度下石墨烯负载Co3O4纳米颗粒复合材料、SnS2纳米颗粒、TiO2纳米棒等负极材料工作过程的原位动态表征与实时分析。本项目实验中所用电解质为Li/Li2O复合体系，在反应过程中负极材料表面会形成一层固体电解质界面膜，其主要成分为Li2O；在Co3O4和TiO2体系中，Li嵌入之后负极发生非晶化，同时有小团簇形成；而层状SnS2纳米颗粒嵌锂后会形成Li2S晶体和富Sn纳米颗粒，同时富Sn纳米颗粒的形成具有一定的规律，会形成一个类超晶格结构，在脱锂过程中观察到了Li2S的分解和SnS2的形成，为SnS2体系的高容量机制提供了有利证据。本项目的研究不仅加深了我们队石墨烯基负极材料的工作机理的理解，阐明了相关机制，更有助于指导石墨烯基复合材料的结构优化，对提升锂离子电池性能，加速相关产业的发展有重要帮助。