锂电池电极的形态结构控制及物理性能的研究

This project deals with the morphology, structure and functionality of electrode material for lithium batteries. With ultra-thin-film electrochemical deposition system and template- assisted growth technology, we study the growth behavior of lithium dendrite and try to find out efficient ways to suppress dendritic growth; with ultra-thin electrochemical deposition approach and two-photon-absorption photo-polymerization we plan to fabricate several 3D microstructured electrodes, increase insertion/extraction rate of lithium ions in electrode materials, and optimize the gravimetric energy density and charge-discharge rate of the battery. The project also deals with the relationship between the wave profile in charging process and the deposition morphology on the electrode, so as to optimize the charging process of the battery. With this project we expect to contribute for lithium battery researches with safer, longer working-time, and more efficient electrode materials

高比能量电池的研究开发中迫切需要对合金负极的电化学结晶和溶解机理有深刻的理解，抑制枝晶生长，提升电池安全性。本项目以锂电池电极材料作为研究对象，利用超薄电化学沉积和模板辅助技术，研究超薄电化学生长系统中金属锂枝晶的沉积行为，从实验和理论两方面深入研究金属锂生长的基本规律，寻找抑制负极上金属锂枝晶生长的有效方法；通过超薄电化学沉积和飞秒脉冲激光双光子聚合三维直写技术设计与制备若干新型三维微纳结构，优化锂电池电极材料的三维纳米构型，实现循环性能优良的稳定的电极结构；通过金属三维微纳结构的设计和优化，增加锂离子在材料中的嵌入率和脱嵌率，实现锂电池较高的比容量和充放电速率；通过电压/电流调控实现电化学沉积形貌的控制，优化锂电池充电策略。这一项目的实施有助于实现安全高效长寿命的锂电池蓄能技术，为能源领域提供技术支持。

本项目旨在探索锂电池中电极材料的形态结构与物理性能的关系，研究电化学生长中界面形态和调控机制，研究具有三维微纳结构电极材料的设计、制备和物理性能。本项目研究了电化学反应过程中界面形态的稳定性和调控，通过降温结冰极大地降低了电解液层厚度，增加电解液中反应离子的浓度，发展了一套保持电解液层厚度均匀和生长界面光滑平整的控制技术，揭示了准二维电化学生长体系中的选择性成核机制，在硅片衬底上得到了厚度均匀的金属钴薄膜结构。通过引入特定波形的交变信号驱动电化学生长，揭示了界面质量沉积速度和界面横向推进速度与外加控制脉冲信号形态的关系，实现了金属电化学沉积形态的有效调控。在此基础上，发展完善了超薄液层电化学沉积中规则有序三维金属微纳结构的制备技术，得到了大尺寸的三维卷叠状金属微结构薄膜；发展了保持三维微纳结构、实现金属钴向四氧化三钴和钴酸锂转变的技术，得到了具有微纳周期孔洞的三维卷叠状电极材料，组装了若干储能原型器件，并完成了电池充放电循环性能的初步测试。本项目完成研究论文19篇，其中包括Adv. Mater.、Nano Lett.、Phys. Rev. B、Adv. Opt. Mater. 和Opt. Lett.等刊物上发表的论文11篇。