一维MOFs衍生核壳结构锂电池阳极材料的可控构筑、性能及机理研究

In recent years, the one-dimensional (1D) carbon-based nanocomposites derived from metal-organic frameworks (MOFs) have attracted tremendous attention and have been shown to exhibit excellent intrinsic properties and high electrochemical performances. The controlled regulation of the structure and components of the 1D MOF-based derivatives and revealing the mechanism between structure and performances are still challenging but very attractive. In this project, strong efforts in designing and controlled synthesis of 1D core-shell structured MOF-derived nanocomposites will be explored to meet the requirements from the practical application. By adjusting the structure and composition, excellent 1D MOF-derived core-shell structured anode materials with high capacity and superior stability can be obtained. We will focus on the study of the influences of the composition and structure on the electrochemical activity and stability to establish the correlation of such physical and chemical parameters with lithium battery performance. Such correlation will play an important role in reasonable design and synthesis of anodes with higher capacity and stability, realizing the unification of structure design and performance control. At the same time, via using neutron diffraction and SANS, we will investigate the effects of calcination temperature and time on the microstructures of MOF-derived nanomaterials, also the changes of electrode-electrolyte interfaces and electrode structure during charging and discharging process will be explored. Combining with the theoretical calculation, deeply exploring the mechanism of the hierarchical structure of anodes and the lithium battery performances, which can provide theoretical basis for further optimizing lithium battery properties, and promote the practical application of one-dimensional MOF-derived carbon nanocomposites as anodes in lithium batteries.

本项目拟以高性能一维金属-有机框架（MOF）衍生锂电池阳极材料的结构设计和可控制备为导向，通过调控材料的结构和组分，获得高比能和高稳定性的优异电极材料。基于静电纺丝辅助的组装技术，拟发展多种一维MOF纳米材料的制备方法，实现MOFs纳米颗粒的宏观组装及一维MOFs纳米材料的规模化可控制备；以一维MOFs纳米材料为前驱体，探索多种后处理方法，引入二次组分，构筑新型微观结构、尺寸以及组分可控的一维MOF基衍生核壳结构碳纳米复合材料；系统研究材料的结构、尺寸以及组分对锂电性能的影响，利用中子衍射/SANS等多种先进表征技术，研究煅烧条件对MOF衍生材料微结构的影响以及电极在充放电过程中的形貌和结构变化，结合理论计算深入探索MOFs衍生材料的多级结构与锂电性能的相互关系和作用机理，为进一步优化锂电性能提供理论依据，促进一维MOFs衍生碳纳米复合材料作为阳极在锂电池的实际应用。

如何规模化制备新型高比能、高稳定性和低成本的电极材料成为推动锂离子电池发展的关键问题之一。项目执行期间，紧密围绕研究课题，以系统发展高效一维MOF基衍生核壳结构锂电池阳极材料的设计理念为导向，通过利用静电纺丝和中子衍射/SANS等多种制备和表征手段，解决一维MOF基衍生材料的结构和组分难以调控及低电容和低稳定性等问题。探索了协同静电纺丝和MOFs晶体合成的联用技术，结合多种后处理方法，制备具有可控结构和组分的多孔核壳结构纳米纤维/管，利用中子衍射等表征电极材料的微结构信息，并进一步研究其电化学性能，重点研究电极材料的构效关系，制备了多种具有高锂/钠电和电催化性能的一维MOF纤维/管衍生核壳结构复合电极材料。建立了静电纺丝法辅助构筑一维MOF基衍生核壳结构纳米材料体系的新技术，实现了MOF颗粒的宏观组装及一维MOF基衍生核壳结构纳米复合材料的规模化可控制备；掌握了电纺方式（直接纺丝、间接纺丝）、MOFs种类（金属源、配体种类等）、煅烧条件（煅烧温度、时间和升温速率等）和后处理方法（第二组分加入等）对调控MOF衍生碳材料的组分和微观结构的影响规律，通过中子衍射等多种表征技术，阐明了MOF衍生碳材料的组分和微观结构与锂电性能提升之间的作用机理，获得了具有高电池性能的电极材料。通过本项目的实施，促进了静电纺丝技术组装纳米颗粒并制备功能材料方面研究的进一步发展，完善了一维MOF衍生材料的合成和制备技术，提升了MOF衍生碳材料的锂电性能，扩大了中子衍射/小角散射技术在材料表征方面的应用范围，为高效电极材料的设计和制备提供了新思路。项目执行期间，主持人以通讯作者在国际国内重要刊物上发表7篇高水平研究论文，在投2篇；授权国家发明专利3项，公开4项；3年内培养毕业硕士研究生5名，在读6名，其中与中国工程物理研究院核物理与化学研究所联合培养硕士研究生1名；参加国内学术会议2次，邀请报告1次。综上，负责人顺利完成了项目研究内容，并达到预期研究目标。