C/SiO2多孔双连续纳米复合材料的可控制备及其在锂离子电池中的应用研究

In this project, we will develop a novel kind of C/SiO2 composites with porous bicontinuous nanostructure via sol-gel method for lithium-ion battery (LIBs) application. This method presents three advantages: (1) simple preparation procedure with mild preparation condition; (2) homogeneous nanostructure; (3) controllable nanostructure, which is beneficial to performance optimization. The nanostructure of SiO2 gel nanonetwork, carbon skeleton and nanopores will be precisely tailored to improve and/or solve the problems existed in traditional SiO2-based electrode, e.g., low conductivity and lithium ion transfer capability, and volume variation. Meanwhile, the synergistic effect of SiO2 and carbon continuous phase for lithium storage will be studied. On the above basis, the relationship between nanostructure and electrochemical performance of the composites will be revealed. As a result, the design and control principles of nanostructures for performance oriented will be elucidated. In conclusion, this project will greatly develop preparation theories of electrode materials for LIBs, demonstrating important theoretic significance and application value.

本项目拟采用溶胶-凝胶法原位制备具有多孔双连续纳米结构的新型锂离子电池用C/SiO2复合负极材料。该方法的优势体现在（1）制备工艺简单，条件温和；（2）材料纳米结构均匀；（3）纳米结构可精确调控，便于进行电化学性能导向的纳米结构设计。项目拟通过对SiO2凝胶网络、炭骨架及纳米孔洞结构的精确调控来改善或解决SiO2基负极材料所存在的导电性较差、锂离子迁移困难、体积变化等问题，并着重研究SiO2连续相和炭连续相在储锂过程中的作用机制及其协同效应规律。在此基础上阐明纳米结构与电化学性能的关联性，建立性能导向的纳米结构控制理论，从而构筑锂离子电池用C/SiO2纳米复合材料的最优结构模型。本项目将有力地促进锂离子电池负极材料制备科学的进步，具有重要的理论意义和应用价值。

作为锂离子电池负极材料的潜在替代品，纳米级二氧化硅（SiO2）具有5倍于石墨的理论比容量及比单质硅更好的循环性能，近年来被广泛研究。然而，SiO2导电性较低、锂离子迁移困难以及体积变化等问题，使得它的性能依然不能满足锂离子电池负极材料的需求。因此，本项目通过简单的原位溶胶-凝胶法，构筑一种具有多孔双连续纳米结构的C/SiO2复合材料以解决上述问题：（1）三维连续的SiO2网络为储锂反应提供大量场所，且其纳米级的径向骨架尺寸可极大缩小锂离子的迁移距离；（2）三维连续的炭网络充当体系的导电骨架，并限制SiO2的体积效应；（3）堆叠形成的纳米孔在缓冲体积效应的同时，为电解液提供传输通道；（4）形貌及尺寸可控的SiO2网络、炭骨架及孔结构，可以实现性能导向的纳米结构精确构筑及结构-性能关系研究。实验结果表明，这类新型的C/SiO2复合材料展现出优异的储锂性能，如，在50mA/g的低电流密度下，100次循环期间比容量稳定在820mAh/g,且SiO2骨架和炭骨架的多孔双连续结构保持得非常好。此外，在高电流密度下（5000mA/g），比容量仍能保持在255mAh/g。同时，我们利用SiO2可控的骨架尺寸，以其为模板开发了一系列具有三维连续炭骨架及中孔结构的储能用纳米多孔炭材料。通过精确控制纳米结构，使其展现出优异的储锂/超电容性能，并研究储能机理及结构-性能关联性。. 在上述基础上，我们还采用溶胶-凝胶法成功合成了一种具有核壳结构的SiO@C/TiO2复合材料。炭层和TiO2涂层之间的协同效应，可以有效解决SiO的体积膨胀及导电性差等问题。. 在本项目的资助下，我们取得了不错的研究成果：在Electrochim. Acta，Energ. Convers. Manage.，Chem. Eng. J.，Adv. Mater. Interfaces等SCI期刊发表论文13篇，其中影响因子大于4的8篇，申请中国发明专利2项，并获得授权。培养4名研究生，同时还有4名研究生在读，达到/超过预期研究指标。