高分子基取向多孔功能材料的构筑及其高倍率、大容量储锂性能研究

Unique abilities of large capacity and rapid charge/discharge of lithium ions are critical requirements for renewable energy storage devices. Now, lithium ion batteries (LIBs) cannot meet the practice requirements of high capacity and good rate capability. This proposal describes an efficient strategy to fabricate free-standing functional electrode materials with highly aligned pores based on polymer matrix, in order to deposit activated nanomaterials at large scale, and promote the remarkable enhancement of the areal capacities. Also, pore size distribution of the electrode materials will be properly adjusted and the contact areas between electrode materials and electrolyte can be improved, in order to increase the utilization efficiency of active sites and improve the energy density of electrode materials. Furthermore, the alignment of the prepared materials will be remarkably improved that achieves the rapid penetration of electrolyte throughout the materials and shorten the transportation distance of lithium ions and electrons, which achieves the great increase of the rate capability of assembled batteries. Simultaneously, kinetic and electrochemical methods, coupling with the surface/interface analysis methods, will be used to study the transportation efficiency of lithium ions. Moreover, we will in-depth study the relationship between microstructure evolution of highly aligned electrode materials and their electrochemical performances, in order to lay a solid theoretical and practical basis for designing and developing lithium ion storage systems with high performance in the future.

大储量、高速率充放电是新能源器件的关键要求，现有锂离子电池的容量和倍率性能尚不能满足长程续航和快速充电的实际需求。本项目拟以高分子材料为构筑基元，在纳米尺度上构筑高度取向、高活性位点的多孔功能材料，实现锂离子电池容量和倍率性能的有效提高。包括：1.制备高度取向的自支撑多孔功能材料，提高单位面积活性物质担载量，提高材料面积比容量；2.调控多孔材料的孔径分布，加大活性材料与电解液的接触面积，提高活性位点利用率，以显著提高材料的能量密度；3.调控电极材料的取向度，实现电解液在其内部的快速扩散，缩短离子/电子的传输距离，显著提高电极材料的倍率性能；同时结合材料表/界面分析方法，采用电化学、动力学测试技术对锂离子传输效率进行深入研究，阐明取向多孔功能材料微观结构调控与电池性能之间的构效关系，为开发具有极高容量和倍率性能的电池提供有益借鉴。

随着锂电池在日常生活中的大规模应用（手机、电脑、电动自行车、电动汽车等），人们对电池性能也提出了大储量、高效率充放电的要求。但是，现有锂电池的容量和倍率性能并不能满足续航能力持久、快速充放电的实际应用需求。基于此，本项目以高比容量、长循环性能为导向，构筑一系列高度取向、高活性位点的多孔功能材料，并对其电化学性能进行全面评价，阐明取向多孔功能材料微观结构调控与电池性能之间的构效关系。首先，以高分子材料为构筑基元，在纳米尺度上构筑一系列高度取向多孔功能材料（比表面积高达2213 m2 g-1），实现电解液在其内部的快速扩散，缩短离子/电子的传输距离，显著提高电极材料的倍率性能；其次，通过杂原子掺杂对材料表面电子态进行调控，增强基质材料与活性物质之间的吸附作用，以提高活性物质的担载量（担载量：96%）；然后，采用电化学、动力学测试技术对电池的性能进行全面分析，结果表明：电池的比容量高达1322 mAh g-1，循环寿命超过1000 圈；最后，结合材料表/界面分析方法和电池性能分析结果，对锂离子的传输效率进行深入研究。综上所述，本项目所构筑的高取向多孔功能材料，具有高担载量、高比能量、高倍率性能和长循环寿命等优点，为开发高能量密度和高稳定储能设备提供了理论和实践基础。