基于SEI膜防护及载流子协同的多级孔碳-金属氧化物纳米编织钠离子电池负极材料

With the imminent exhaustion of fossil fuel resources and increasing environmental problems, it has potential application prospect for developing abundant and low-cost sodium-ion batteries to ensure the stationary and large-scale electric energy storage. Metal oxides as anode materials for sodium-ion batteries have attracted great attention because of the high capacity, low cost and environmental friendly character. However, the low electronic conductivity and ionic conductivity of metal oxides and the volume change during the charge-discharge progress would lead to a lower sodium storage capacity and still be unsolved problems. This research project is based on the SEI layer protection and carriers synergy, and to design the hierarchically porous carbon-metal oxides nano-weaving anode materials for sodium ion battery. The high surface areas, nanoscale porous walls and pore distribution in a large range will adsorb more sodium ions and improve their diffusion in the electrolyte. The hierarchically porous metal oxides structure with high crystallinity and without nanoparticles aggregating help to prevent the grain boundary diffusion resistance and volume change during the charge-discharge progress. The electronic conductivity, ionic conductivity, carriers synergy effect and SEI layer protection of hierarchically porous metal oxides will be enhanced by the coating of hard carbon with uniform and nanoscale morphology. The effect factor of hierarchically porous structure and carbon-coating, the forming mechanism of SEI layer, the carrier synergy function and the electrochemistry performance will be researched in detail. The theoretical basis and method support to understand the effect rules between the carrier mobility characteristics and the electrochemical reaction mechanism and to finally get the sodium ion batteries with high capacity, high current rate performance and long cycling property will also be provided.

金属氧化物作为钠离子电池负极材料具有理论比容量高、成本低、绿色环保等优点，而其导电率和离子扩散率低及充放电过程中体积膨胀仍是亟待解决的问题。本项目着眼于充放电过程中SEI膜的有效防护及载流子协同强化利用，可控设计和制备多级孔碳-金属氧化物纳米编织钠离子电池负极材料。利用多级孔结构的大比表面积、纳米尺寸孔壁和孔径的大范围分布有效提高充放电过程中钠离子的吸附供应和快速扩散；多级孔结构又可提高材料的结晶度，防止因团聚造成的晶界扩散阻力，同时有效容纳嵌脱钠过程中电极材料的体积膨胀；导电硬碳纳米均匀包覆进一步提高材料的导电性和离子导电率，增强载流子协同，同时对电极材料的SEI膜形成有效防护。考察多级孔结构和碳包覆的影响因素、SEI膜形成机制、载流子协同效应及其与材料电化学性能间的关系。揭示材料载流子迁移特性和电化学反应机理，为实现高容量、高倍率和高循环稳定性的钠离子电池提供理论依据和方法支持。

随着全球能源与环境问题的日益加剧，钠离子电池作为大规模静态储能形式具有潜在的广泛应用前景。金属氧化物作为钠离子电池负极材料具有理论比容量高、成本低、绿色环保等优点，而其导电率和离子扩散率低及充放电过程中体积膨胀仍是亟待解决的问题。综合国内外对金属氧化物钠离子电池负极材料的研究现状以及我们已有的工作基础，本项目基于电化学反应过程中SEI膜的有效防护及载流子协同强化，可控设计和制备形貌结构可控的碳-金属氧化物纳米复合钠离子电池负极材料。利用其大比表面积、纳米尺寸孔壁和孔径的大范围分布有效提高钠离子的吸附供应和快速扩散。同时，纳米尺寸均匀导电碳包覆进一步提高材料的导电性和离子导电率，从而实现钠离子电池容量、倍率和和循环电化学性能的有效提高。本项目较圆满的完成了计划研究内容和目标，取得了比预期更多的研究成果。为了改善二氧化锡作为钠离子电池负极材料的倍率性质和循环性能，使用水热和高温处理相结合的办法制备了具有高电化学性能的多级结构的二氧化锡纳米颗粒/碳复合材料，储钠机理研究表明高导电碳复合、短的离子扩散距离和赝电容贡献共同决定了电极材料的高电化学性能。通过一步水热法制备出了具有异质结结构的二氧化锡/四氧化三钴/石墨烯复合材料。考察了异质结结构的形成机理和其赝电容效应原因，并探讨了其协同作用对复合电极材料电化学性能提升的机理。为了提升氧化铁钠离子电池负极材料的综合电化学性能，系统的研究了多孔石墨碳封装纳米氧化铁复合材料和氧化铁-铋金属碳纤维复合材料的制备方法及电化学性能，并通过赝电容贡献的计算和非原位的形貌结构表征，揭示了其高电化学性能原理。本项目也通过喷雾干燥结合气氛热解的方法，合成了具有多级孔结构的氮掺杂碳材料作为钠离子电池的负极材料。多级孔结构和氮掺杂的协同作用能够通过提高碳材料无序度和扩大碳层间距来降低材料脱嵌钠的能量势垒，提高嵌入式储钠活性，从而获得了高的储钠比容量和倍率性能以及超稳定的循环性能。本项目较成功的解决了金属氧化物钠离子电池负极材料的导电率低及体积膨胀问题，掌握了形貌结构可控的碳-金属氧化物电极材料的电子、离子协同传输和电极稳定方法，获得了高容量、高倍率和循环稳定的系列金属氧化物基钠离子电池负极材料。