煤基石墨烯构架复合材料设计、调控对高能密度钠离子电池性能影响

Sodium-ion batteries could be as a large-scale energy storage of new research areas and its further application will be determined by the performance of anode materials directly. Based on the structural characteristics of coal, this project aimed at the design of coal-based graphene anode material structure. The energy storage mechanism will be explored through the design of molecular, nanoscale structure of three-dimensional graphene framework. The three-dimensional graphene anode materials and electrolytes were characterized by the microstructure precisely. The interface of electrolyte/anode interface, quasi-interface and bulk interface were studied systematically from different interface. The three-dimensional graphene materials were explored in the electrolyte relationship. The implementation of this project will clarify the microstructure of sodium-ion battery anode material and storage mechanism, and provide a scientific basis for high performance sodium-ion battery.

钠离子电池作为大规模储能的新型研究领域，负极材料的综合性能将在很大程度上直接决定钠离子电池未来的应用前景。本项目基于山西省煤炭高效利用为出发点，结合煤本身结构成分特点，以煤基石墨烯负极材料结构设计入手，通过分子、纳米空间、宏观尺度结构的设计，采用一系列化学法调控构建快速导钠三维石墨烯框架，探索储能机制。利用精度与深度的微观结构表征三维石墨烯负极材料和电解质，考察从不同界面深度系统地研究电解质/负极界面、准界面和本体分子界面相容性，探索三维石墨烯材料在电解质中钠离子传输关系。本项目的实施将阐明钠电池负极材料的微观结构与储钠机制内在关系，为高性能钠离子电池的设计与开发提供科学依据。

碳材料负极的微观结构与性质直接决定了钠离子电池的电化学性能。本项目基于石墨烯复合材料具有高导电性，理论容量优良性能等优点，结合山西省煤炭高效利用为出发点。利用煤本身结构成分特点，制备成功煤基石墨烯复合材料，将其作为钠离子电池负极材料来使用，探讨其储能机制。本项目致力于煤基三维碳架构材料及其复合材料的设计、碳负极的储钠机制和电极/电解质界面研究，取得了一系列重要进展。采用模板法、化学气相沉积等方式设计制备了高性能碳基钠电负极材料；结合电化学反应过程中材料结构、界面性质的变化规律，阐明了材料结构和电化学性能间的相互关系；基于醚基电解质揭示了钠离子电池中电化学界面的演变规律。同时，实现了多种多孔碳材料的可控制备及新型二维材料MXene的多维组装，在钠离子电池等多种储能器件中表现出优异的性能。.本项目主要研究内容包括: ①新型三维石墨烯构架设计、可控制备与表面修饰；②对新型石墨烯构架材料精确表征和原位表征；③有机电解质/电极界面相容性研究。以具有不同维度的 sp2 杂化碳纳米结构为基元，设计具有高电子传输特性、高离子吸附和离子输运特性的三维碳构架材料。通过化学修饰途径在三维碳构架中引入非碳化学成分，拓展材料的电学和电化学性能。利用表面包覆和三维填充电化学活性材料等手段，实现三维碳构架表面非共价修饰。通过 SEM、TEM、XRD、XPS等测试技术，表征复合材料的超微观结构，并将复合材料组装成器件，考察其电化学等性能。结果表明：将煤基石墨烯复合材料作为钠离子电池负极材料来使用，可以充分利用石墨烯所具有的优良的电子传输能力，结合添加材料的本质特征，提高复合材料的电化学性能及储能效应。本项目的实施有利于厘清高性能碳负极材料的结构设计原则、阐释了电极/电解质界面特性，为实用化钠离子电池及其他储能体系的设计与开发提供数据支撑和科学依据。