三维微型锂离子电池膜电极的电化学集成及反应机理研究

The current physical macro-lamination-stacking integration of membrane and electrode for convetional Li-ion battery can't be suitable any more for three dimensional(3D) lithium ion micro-battery due to the double requirements of low space and high areal capacity density. Therefore, how to search for new micro -integration and the corresponding formation mechanism has become a heavy challenge in the field of 3D lithium ion micro-battery. In this project,the combination of organic and inorganic materials will be used to achieve electrochemcial micro-integration of membrane and electrode in the 3D micro-battery： firstly, 3D ordered TiO2 nanotubes negative electrode will be built on the Ti foil substrate by anodization, and then phenol or sulfonated phenol will be electrodeposited on the surface of as-synthesized TiO2 nanotubes with a strong binding force, with a result of electrochemical integration of electrode and membrane. Moreover, the structure-property relationship and the underlying scientific law between micro-structure and macro-performance of the collective will be disclosed by XRD, SEM, TEM, FTIR, AC impedance, assembling battery and so on, and the corresponding electrochemical integration and reaction mechanism will be also explored. It is expected that such an integration of membrane and electrode can maximize the specific inter-surface area between the electrode and the membrane within limited space, shorten the diffusion distance of Li+ and thus meet the integration requirements of 3D lithium ion micro-battery. The obtained data will be of very important value for promoting the development of 3D lithium ion micro-battery in terms of theory and application.

现有锂离子电池中膜与电极的宏观物理叠压集成不能满足三维微型锂离子电池低空间和高面积容量密度的双重要求，故探索新的微观尺度的膜电极集成及形成机制是微型锂离子电池研究领域中一个严重挑战。鉴于此，本项目拟通过有机无机功能材料的复合实现微型锂离子电池膜电极的微观尺度电化学集成:首先利用阳极氧化法在钛箔上构筑三维有序TiO2纳米管电极,然后通过电聚合反应在TiO2纳米管电极表面沉积一层结合力强的聚苯酚或磺化聚苯酚薄膜材料,以实现膜-电极的电化学集成；并利用XRD，SEM，TEM,FTIR,交流阻抗及组装电池等技术揭示膜电极微观结构和宏观性能之间的构效关系及科学规律,探索可用于三维微型电池的新型膜电极集成技术及其反应机理。本项目旨在通过电化学集成增加有限空间内电极与膜接触的比表面积，缩短锂离子扩散距离，以满足三维微型锂离子电池的集成要求。所得结果将对于推动三维微型电池的研发具有重要的理论意义和应用价值

具有小空间和高集成度的微电子机械系统促进了三维微型锂离子电池的发展。 然而, 现有常规锂离子电池中采用物理叠压工艺集成的膜/电极的空间利用率低, 不能满足三维微型锂离子电池低空间和高面积容量密度的双重需求，故探索新型的膜电极集成技术及其形成机制成了微型电池领域中一个研究热点。为此，本项目通过有机/无机功能材料的复合实现了可用于微型锂离子电池膜电极的微观尺度电化学集成：首先利用阳极氧化反应在钛箔上制备了三维有序TiO2 纳米管阵列(TiO2NT)电极材料, 然后通过苯酚单体的电聚合反应在三维有序TiO2NT电极表面上沉积了一层结合力强的多孔聚苯酚（PPO）薄膜材料, 实现了聚合物PPO膜与电极之间的电化学集成, 并研究了其微观结构及电化学性能；在此基础上，还进一步通过TiO2NT电极的Ti3+掺杂和PPO膜的磺化，改善了PPO/TiO2NT膜电极集合体的电化学性能。研究结果表明：优化后，SPPO/Ti3+/TiO2NT膜电极的首次放电比容量为 538 mAh/g, 明显高于使用了商品聚乙烯隔膜(PE)的PE/TiO2NT膜电极的 277 mAh/g, 同时也表现了较高的倍率放电性能及循环稳定性；相应的锂离子扩散系数为 2.70 × 10-9 cm2/s，明显高于PE/TiO2NT膜电极的7.78 × 10-10 cm2/s，满意的电化学性能可归功于电化学集成所赋予膜电极的高比表面积、快速离子/电子传输过程及短的离子扩散距离。此外，还探索了膜电极在集成和充/放电过程中的反应机理。所得结果对于推动三维微型电池的研发进程具有重要的理论意义和实际应用价值。. 在完成上述原定研究计划的基础上，考虑到日益严重的环境污染和资源短缺的社会现状，还开展了石墨烯纳米片、CuCl、多级柏叶状铜氧化物等其它电极活性材料的研究，探索了电极材料结构与电化学性能之间的关系，尤其是开展了从废弃资源中提取回收电极材料的研究，为节能减排、构建绿色能源发展模式做出了积极贡献。