壳核碳支撑多级结构柔性碳化钼及其充填硫复合材料的设计与性能研究

In the electrochemical reaction, yolk-shell interlinked carbon sphere with a hollow hierarchical structure has flexible characteristic and a superior transmission path for electric charge. Based on those advantages, Mo2C with good electrical conductivity was firstly homogeneously deposited on both the external and internal surface of the yolk-shell interlinked carbon spheres to form a carbon supported hierarchical structure anode materials (C@Mo2C) for lithium ion batteries. Moreover, the hollow inner cavity of yolk-shell interlinked carbon spheres can be infiltrated and filled with S to construct S@C@Mo2C cathode for application in lithium–sulfur batteries. The concept of “a novel structure for dual purpose” has advantages as follows. The hollow hierarchical structure of the C@Mo2C anode can effectively accommodates the volume change of Mo2C and provides abundant active sites for lithium storage, leading to enhanced electrochemical performance of Mo2C. On the other hand, the C@Mo2C as the S host for lithium sulfur batteries has expected to deliver outstanding performance because of the chemical adsorption of Mo2C to Li2Sx and the 3D interconnected conductive network formed in the electrode. It is expected to solve the common problems in both lithium ion battery anodes and lithium sulfur battery cathodes (such as poor conductivity, loss of active materials and volume change) by this project research. The design ideas and the contents in this project have never been published elsewhere.

利用具有柔韧特质的蛋黄-蛋壳互联型二级碳结构良好的导电性以及空腔结构，通过在碳壳内、外壁上以及碳核上均匀负载具有良好导电性的Mo2C，来构筑壳核碳支撑多级结构锂电负极材料C@Mo2C；通过利用其存在的空腔结构填充硫，来构筑多级结构锂-硫电池正极材料S@C@Mo2C；这种“一构两用”的设计思路，既利用了C@Mo2C的多级结构优势（壳核碳支撑的二级碳空腔结构和Mo2C三级负载结构）来缓释Mo2C体积变化、增加储锂活性位点和增强体系导电性，以达到提高Mo2C负极材料的电化学性能的目的；又利用了C@Mo2C空腔结构容纳硫、利用结构中Mo2C键合Li2Sn来化学固硫以及利用结构中C和Mo2C良好的电子传输效应来提高硫正极的导电性。通过本项目研究，有望在解决锂电负极材料和锂-硫电池正极材料存在的共性问题（活性物导电性差、易流失和体积膨胀）上发挥作用。本项目材料多级结构的设计思路和研究内容未见文献报道。

本课题自实施以来，在课题组成员的共同努力下，截至2020年12月31日，已经圆满地完成了课题规定的年度研究内容计划及研究任务。课题首先完成了不同结构参数担载硫正极材料，比如碳支撑多级复合结构C@FeP，C@CoP、C@SnS、C@MoS2、ZnSe/CoSe2@C、石墨烯-MnO2气凝胶和MoS2@YHMCs等担载材料。最终，通过对锂硫电池性能的系统分析，比较，筛选制备出3款硫复合电极材料。在分析和比较所得硫碳复合材料微结构参数和电化学性能的基础上，探明了碳支撑多级金属化合物改善单质硫电化学性能方面的作用机制。具有化学和物理吸附多硫化锂能力材料MoS2@S@YHMCs、MoS2@S@HMCs和石墨烯-MnO2-S复合材料的制备和电化学性能研究，该拓展性研究丰富了研究结果。通过该项目实施，共发表SCI研究论文21篇，授权国家发明专利2项，培养研究生11名。本研究承担人获得2018年陕西省科学技术奖一等奖，排名第2，获奖研究名称：石墨烯基光电新能源材料的应用基础研究。无论是从成果的数量和质量上，均超过了预定的目标。通过本研究所开发的电极，在进一步对其循环寿命进行改良的基础上，有望为提供高容量、长寿命的优质正负极材料，促进我国下一代锂电池和锂硫电池产业的发展。