有序纳米金属柱阵列/聚合物复合材料作为高功率锂离子电池的负极

纳米金属柱阵列电极由于液体电解质可以进入柱间的空隙，具有较大的真实电化学反应面积，故动力学性能比较优异，是高功率锂离子电池的理想负极材料之一。但在充放电过程中，"裸露"纳米金属柱容易发生团聚、粉化、失活等现象，导致循环性能欠佳。本申请提出一种新型复合负极将有助于提高其循环寿命。材料制备采用纳米结构化嵌段共聚物膜作为软模板，该模板含有聚合物电解质纳米柱有序阵列。借助于一维离子导电通道的输运作用，利用电化学或者电流置换反应等方法选择性的在聚合物电解质纳米柱内实现金属沉积，所得到的金属纳米柱阵列呈六角排列均匀分布在模板中。充放电过程中，软模板的弹性不仅利于保持一维柱状材料形貌，而且防止柱间发生团聚，大大提高循环性能；聚合物离子导电相将有利于发挥三维电极的优点，提升高倍率工作性能。有序阵列的构筑有助于系统解析阵列负极结构与电化学行为间的关系，为加速高功率锂离子电池的商品化进程提供有效解决方案。

提高锂离子电池的能量密度、功率密度及循环寿命是长期追求的目标。由于电子电导率高和比容量高，一维金属材料及其组合体是理想的高功率负极材料。但是该类材料在充放电过程中体积变化大，导致循环寿命衰减过快。显然材料纳米化是解决问题的途径之一。本项目首先采用嵌段共聚物作为软模板来制备纳米金属阵列，采用电化学沉积和电流置换反应无电解沉积方法成功制备了规则有序的金属Ag纳米粒子阵列和纳米柱阵列及其相应的复合物电极，发现复合化可以显著提高循环性能。针对Ag纳米柱阵列填充度低的缺点，利用光化学还原法成功制备了大面积规则有序的金属/聚合物纳米柱阵列。并将所得到纳米金属结构作为二次模板和催化剂，利用金属诱导各向异性化学腐蚀来蚀刻单晶Si，得到了有序纳米Si线阵列，电化学测试表明纳米硅线具有较好地循环稳定性。然后采用多孔Al2O3、微气泡、Cu纳米线阵列作为模板来制备一维金属Sn及纳米合金阵列，并系统研究了其电化学性能。发现复合化及活性材料孔隙化有助于提高倍率性能及循环稳定性，但是将降低电极的比容量。我们的研究表明，对实际电极来说，需要在惰性缓冲材料、孔隙率和电极容量、循环稳定性、倍率性能之间根据需要选取合适平衡点。