三维多孔硅负极材料的微结构设计制备及储锂性能

Nowadays aimed at the problems of the low charge/discharge efficiency and the fast capacity fading of Si anodes in lithium ion batteries, we offer the practical and feasible solutions through the microstructure design to develop three dimensional (3D) porous Si anodes. In this project, we intend to acquire 3D porous SiOx precursors from Si-rich biomass materials of their own construction and the multi-components and multi-phases controllable synthesis by organic and inorganic silicon source. In order to break through the harsh synthetic conditions, we will explore the molten salt system to supply liquid reaction environment and achieve the magnesiothermic/aluminothermic reduction of the 3D porous SiOx precursors at the low temperature. We will further study of the surface protective films and the prelithiation process for the optimization of their electrochemical properties. Furthermore, we will clarify the inner relationship of the lithium ion diffusion, the electron transport and the object-oriented design in 3D porous Si anodes. This project will provide new ideas and technology basis for the development of new type anode materials with high capacity and excellent cyclic stability.

针对目前锂离子电池硅负极材料充放电效率低和容量衰减快的问题，我们提出从材料微结构设计入手开发三维多孔硅负极材料。利用富硅生物质材料自身三维多孔结构，以及通过有机及无机硅源多组元、多相可控制备获得三维多孔SiOx前驱体。为了突破传统硅材料苛刻的合成条件，将开发多种熔融盐体系实现液态反应环境，探索三维多孔SiOx前驱体的镁热或铝热反应低温还原策略。同时我们将进一步研究表面保护膜和预锂化过程对其电化学性能的优化机制，阐明三维多孔硅负极材料中锂离子扩散迁移、电子传输与材料定向设计的内在关系，为开发高比容量和长稳定性的新型锂离子电池负极材料提供新的思路和技术基础。

锂离子电池因能量密度大、循环性能优越、安全便捷等特点，成为大规模储能的重要技术之一。本项目围绕硅基负极材料的可控制备，获得了电化学性能优异的层-层自组装Si/MXene体系。具有类金属导电性的MXenes加入电极材料，不仅显著提高材料导电性，而且有效缓解硅纳米粒子在充放电过程中的体积膨胀，提高了复合材料的循环性能。此外，我们还扩展了二维MXenes材料在锂离子电池中的应用，研究表明MXenes层间原位形成的碳纳米管，可有效克服其层间范德华力堆叠导致的电化学活性位点减少和离子传输受阻的问题。同时我们把该研究策略也扩展到其他化合物，如金属氧化物，硫属化合物，普鲁士蓝类似物，NASICON型的磷酸盐，开展了一系列工作。我们通过深入研究不同纳微结构和合成条件的映射关系，揭示目标结构的构筑机理。并侧重研究它们作为电池电极材料的性能评价和电化学作用机制，阐明锂离子扩散迁移、电子传输与材料定向设计的内在关系，为开发高比容量和长稳定性的新型锂离子电池材料提供新的思路和技术基础。.本项目主要完成了上述的研究内容，项目负责人共发表SCI论文16篇，此期间培养硕士研究生4名，本科生1名。