锂离子电池硅-镍复合负极材料电化学重构机理及电化学性能研究

In this project, we intend to prepare Si-Ni composite material as anode for high performance Li-ion batteries via a novel "electrochemical reconstruction" method. The electrochemical reconstruction mechanism and electrochemical performance of the composite material will be researched. Firstly, NiO and NiS will be grown on Ni to form NiO-Ni and NiS-Ni composite architecture via in situ methods. The effects of reaction conditions on the morphology and structure of NiO-Ni and NiS-Ni composite architecture will be researched, so that controllable fabrication of NiO-Ni and NiS-Ni can be achieved. Secondly, Si-NiO-Ni and Si-NiS-Ni composite material will be prepared via depositing Si on NiO-Ni and NiS-Ni via a CVD method. Controllable fabrication can be realized after studying the effects of CVD parameters on the morphology and structure of Si-NiO-Ni and Si-NiS-Ni composite material and optimizing the deposition parameters. Thirdly, Si-Ni composite material that shows good electronic conductivity and fine contact performance between Si and Ni will be prepared after activating the Si-NiO-Ni and Si-NiS-Ni composite material via an electrochemical method. The effects of electrochemical activation mode and parameters on the morphology and structure of Si-Ni composite material will be studied to clarify the electrochemical reconstruction mechanism and to realize controllable reconstruction of Si-Ni composite material. Finally, high performance Si-Ni/Li Li-ion batteries will be prepared, and the key factors that affect the electrochemical performance of Si-Ni composite material will be further studied and optimized. We propose that the actualization of this project will provide academic foundation and reference for the research and application of Si composite material as anode for high performance Li-ion batteries.

本项目拟采取"电化学重构"方法制备高性能锂离子电池硅-镍复合负极材料并对其重构机理和电化学性能进行研究。首先，通过原位生长制备氧化镍-镍、硫化镍-镍复合材料，研究生长工艺对复合材料形貌和结构的影响，实现氧化镍-镍、硫化镍-镍的可控制备。其次，利用CVD技术在氧化镍-镍、硫化镍-镍上沉积硅，制备硅-氧化镍-镍、硅-硫化镍-镍复合材料，研究CVD参数对复合材料形貌和结构的影响，实现硅-氧化镍-镍、硅-硫化镍-镍的可控制备。然后，通过电化学方法对硅-氧化镍-镍、硅-硫化镍-镍进行活化，制备硅、镍间接触效果良好，导电性能优异的硅-镍复合材料，研究活化模式和参数对复合材料形貌和结构的影响，实现硅-镍复合材料的可控电化学重构并揭示重构机理。最终，制备出硅-镍/锂高性能锂离子电池样品，研究影响硅-镍复合材料电化学性能的关键因素并优化。项目的实施将为高性能锂离子电池硅负极的研究与应用提供理论基础与借鉴。

硅作为锂离子电池负极材料具有最高的理论容量，但其导电性较差，且循环过程中会出现颗粒粉化并团聚，导致其电化学性能不理想。目前关于硅的研究主要集中在通过与碳材料复合及纳米结构设计等方式抑制其循环过程中的体积变化，从而增强其电化学性能。本项目在原位生长的氧化铜、氧化镍在循环过程中的形貌变化基础上，提出设计硅-氧化镍-镍、硅-硫化镍-镍复合结构，通过电化学活化方式，利用氧化镍、硫化镍的结构演变诱导粉化后的硅重新组装形成新的特殊硅-镍复合结构，利用Ni增强Si的导电性，从而获得高性能硅-镍锂离子电池负极材料。.在本项目资助下，项目申请人团队针对氧化镍等材料在循环过程中的电化学重构行为进行了深入研究，发现电化学重构不仅适用于氧化物，同时也适用于硫化物，磷化物等，并进一步扩展到多元金属氧化物中。项目主要研究结果如下：1）系统阐述了“电化学活化”、“电化学烧结”、“电化学重构”系统概念，为描述转换型、合金化型材料在循环过程中的形貌演变提供了规范术语。2）在泡沫镍上原位生长氢氧化镍可控制备基础上，进一步制备了Si@NiO-Ni、Si@Ni(OH)2-Ni、Si@Ni@Ni复合结构，研究了不同结构在通过充、放电活化后的形貌、结构演变及电化学性能。3）在两元过渡族金属化合物电化学重构基础上，发展了新型多元钒基负极材料 (MxVyOz M=Zn, Co, Ni, Cu) 电化学重构理论、充/放电机理及电化学性能优化理论。.在项目研究中，我们强调建立材料二次形貌与电化学性能的直接对应关系，提出利用电化学重构实现电极材料二次形貌的可控构筑，为高性能锂离子电池电极设计提供了新的思路，相关研究成果在Advanced Materials Interfaces, Chemical Communication, Journal of Materials Chemistry A等国际权威期刊发表第一作者及第一通讯作者SCI论文23篇（影响因子>6 11篇），授权发明专利7项，受到了同行的广泛关注。