柔性石墨烯/碳纳米管三维多孔复合结构的构筑及其电化学储能机理研究

Environmentally friendly and green power sources have become the focus and hot spots of social attention, owing to the increasing seriously of energy shortage and environment pollution. Lithium ion batteries get widely used due to its excellent comprehensive performances. The electrode materials are the key technology of lithium-ion battery development, it has directly effect on capacity, cycle life and stability performance of battery. This project intends to build three-dimensional porous structure of flexible graphene foam/carbon nanotubes composites with high conductivity and high specific surface area based on coordination effect of graphene foam, carbon nanotubes and transition metal oxide. The microstructure, electrochemical performance and energy storage mechanism of composites will be researched. The three-dimensional porous graphene/carbon nanotubes would be embellished by the different shapes of metal oxide based on embedding and diffusion behavior of lithium ion battery electrode. Meanwhile, the control of microstructure morphology and influence law between microstructure and electrochemical performance also would be analyzed deeply. On the other hand, the mechanism of intercalation lithium and energy storage would be studied on the basis of embedded type mechanism and reactive mechanism, revealing coupling relationship between the microstructure and macro properties of composites. It will provide the basis theory and experimental instruction for the research of new types of lithium ion batteries, super capacitors and sensors.

能源短缺、环境污染日益严重，环境友好绿色新能源成为社会关注的焦点和热点。锂离子电池由于自身优异的综合性能，得到越来越广泛的应用。电极材料是锂离子电池发展的核心技术之一，直接影响电池容量、循环寿命和稳定性能。本项目拟利用石墨烯、碳纳米管和金属氧化物的协同效应，设计并制备高导电性、高比表面积三维多孔柔性石墨烯/碳纳米管纳米复合材料，针对其微观结构的可控构筑、电化学性能及嵌锂和储能机制展开研究。基于锂离子电池电极材料离子嵌入和扩散行为，利用不同形态金属氧化物负载石墨烯/碳纳米管三维多孔复合材料，开展三维纳米微观结构形貌控制的研究，分析其微观结构对电化学性能的影响规律；以嵌入型机制、反应型机制等为基础研究复合电极的嵌锂和储能机制，分析复合电极内部形态结构对嵌锂行为的影响机理，揭示复合材料微观结构与宏观性能的耦合关系，为新型锂离子电池、超级电容器及传感器电极材料的研究和制备提供理论依据和实验指导。

能源短缺、环境污染日益严重，环境友好绿色新能源成为社会关注的焦点和热点。锂离子电池由于自身优异的综合性能，得到越来越广泛的应用。电极材料是锂离子电池发展的核心技术之一，直接影响电池容量、循环寿命和稳定性能。.本项目利用石墨烯、碳纳米管和金属氧化物的协同效应，设计并制备高导电性、高比表面积、柔性三维多孔石墨烯/碳纳米管纳米复合材料，针对其微观结构的可控构筑、电化学性能及嵌锂和储能机制展开研究。. 结构分析表明，多孔Fe2O3纳米棒与SnO纳米片阵列均成功负载到石墨烯、碳纳米管基底上，且尺度均一，分布均匀，具有高的结晶度和结构稳定性。其特殊三维多孔复合结构可提供更大的缓冲空间抑制电极充放电过程中的体积膨胀。同时，可以有效地抑制电极在充放电过程中纳米颗粒的团聚，有利于离子的传输，缩短传输路径，提高离子传输速度。从而表现出了高的库伦效率、良好的倍率性能和高的循环稳定性。性能测试表明，SnO/GF/CNT电极具有较高的储钠容量(580 mAh g-1 @ 0.1 A g-1；395 mAh g-1 @ 1 A g-1)。 . 进一步分析发现，高容量的超薄二维SnO纳米阵列复合电极并无明显充放电平台，存在一定程度的赝电容贡献。这种基于合金化等机制的赝电容概念的提出，使得高容量协同高倍率成为可能。此外，采用透射电镜、拉曼光谱、第一性原理计算对电极合金化过程分析，验证了电极具有优异的倍率响应及循环特性。. 项目执行期间，严格按照国家自然科学基金项目管理和财务管理的相关规定，依照预定的研究计划，与相关科研单位进行合作，深入开展项目研究工作。在该项目资助下，项目组3年内共发表SCI收录论文16篇，获得发明专利2项。目前在读博士生2人，毕业硕士生3人，在读硕士研究生10人。