柔性锂离子电池高性能自支撑高含氮量一维层次孔碳负极材料的可控制备及其储能机理研究

With the rapid development of flexible and wearable electronic devices, flexible lithium-ion batteries have become the hotspot and one of frontiers in research field of the energy storage. Till date, the key factors and the main difficulties to realize flexible lithium-ion batteries is to design and fabricate flexible electrode materials with stable and high performance in the condition of repeated bending. In this project, one-dimensional self-standing hierarchically porous highly nitrogen-doped nanofiber networks which suitable for using as promising anode materials in flexible lithium-ion batteries were controllably prepared by using methods of electrospinning, nitrogen-doping, the templates - activation method and carbonization. At the same time, the lithiation mechanism and the mechanism of enhancing electrochemical performance to the electrode by the N element of these anode materials are studied. Project from this proposed research will be of importance for the research and development of the lithium-ion battery industry of our country and novel electrode materials with high performance in flexible lithium-ion batteries.

随着柔性/可折叠电子器件在近些年的迅猛发展，柔性锂离子电池已成为目前储能领域研究的热点和前沿之一。目前，发展柔性锂离子电池的主要困难和关键在于研究和开发在反复弯折状态下具有稳定高性能的柔性电极材料。本项目运用电纺丝、掺氮、模板－活化联合法和碳化等方法，可控地制备和构筑一种具有自支撑结构一维高含氮量和层次孔的，适用于柔性锂离子电池的高性能负极材料。并在此基础上，揭示和阐明此类材料嵌锂性能的作用机制和N元素对增强电极电化学性能的作用机理。本项目的实施对于促进我国的锂离子电池产业和促进新型柔性锂离子电池电极材料的研究和发展具有重要的科学意义和工程价值。

随着柔性/可折叠电子器件在近些年的迅猛发展，柔性锂离子电池已成为目前储能领域研究的热点和前沿之一。目前，发展柔性锂离子电池的主要困难和关键在于研究和开发在反复弯折状态下具有稳定高性能的柔性电极材料。本项目运用电纺丝、掺氮、模板－活化联合法和碳化等方法，可控地制备和构筑了一种具有自支撑结构一维高含氮量和层次孔的，适用于柔性锂离子电池的高性能负极材料。通过研究掌握不同环境参数、工艺参数和原材料参数对此类负极材料电化学性能的影响规律，掌握了制备柔性锂离子电池高性能自支撑高含氮量一维层次孔碳负极材料的最佳工艺。同时，研究掌握了所得材料微观结构、氮含量和孔结构对此类负极材料电化学性能的影响规律。并在此基础上，揭示和阐明此类材料嵌锂性能的作用机制和N元素对增强电极电化学性能的作用机理。其中尤其是在聚丙烯腈(PAN)中加入富氮物质--三聚氰胺和造孔剂—PMMA后， 经过后续碳化和氨气活化处理后，制备出的具有自支撑结构的氮掺杂多孔碳纳米纤维，当直接用作锂离子电池的负极材料时显示了较好的锂离子电池负极性能。试验结果显示，此氮掺杂多孔碳纳米纤维具有高的氮含量（N/C为10.28%）和独特的微孔和介孔结构，其首次可逆容量可达到1538 mAh g-1，是目前所报道的碳基材料负极容量最高值。另外，在电纺丝制备柔性锂离子电池高性能自支撑高含氮量一维层次孔碳负极材料的基础之上，积极开展了更具产业化潜力的新方法——气纺丝制备柔性锂离子电池高性能自支撑高含氮量一维层次孔碳负极材料的研究工作。