纳米组装和复合结构MgFe2O4负极材料合成及储锂性能研究

Development of anode materials with high specific capacity, long cycling life has become one of the leading topics in the research field of li ion battery. MFe2O4 (M = Ni, Cu, Co, Zn，Mg) is cheap, with a theoretical capacity larger than 1000 mAh/g. Because of the large volume change during charge/discharge process, agglomeration, and low electronic conductivity, it exhibits unstable cycling performance, poor high rate capability and lower charge/discharge efficiency. Making nano material can improve the cycling stability to some extent, but that cannot solve all the problems. As a consequence, nano self-assembly (hollow/solid sphere) and composite structure (MgFe2O4/C or conducting polymer) MgFe2O4 material will be synthesized in this work. The porous assembly structure can release the volume change, accelerate the permeating of electrolyte and increase ionic diffusion rate. The composite structure can improve the electronic conductivity, reduce the contact between active material and electrolyte, increase the charge/discharge efficiency. In addition, the composite carbon or conducting polymer can act as a buffer to stabilize the structure, thus the cycling stability can be improved. Multiple structure MgFe2O4 will be synthesized using the gel-cast/hydrothermal and spray drying process. The electrochemical performance, lithium storage mechanics and structure-activity relationship will be studied. And a theoretical technical foundation for high specific capacity, long cycling life MgFe2O4 material will be established.

发展高比容量、高循环稳定性的负极材料是锂离子电池研究的前沿课题之一。MFe2O4 (M = Ni, Cu, Co, Zn，Mg)系材料价格低且理论比容量高（大于1000 mAh/g），但由于锂化过程体积变化大、易团聚、导电性差，其稳定性和倍率性能较差，首次容量损失较大。纳米化材料虽可在一定程度上改善其稳定性，但效果有限。因此，本项目设计合成纳米MgFe2O4颗粒的组装结构（空/实心球、核壳）和复合结构（MgFe2O4/C或导电聚合物）。多孔组装结构可缓冲材料体积变化，有利于电解液渗透，提高离子扩散速率。复合结构可以提高材料导电性，减少与电解液的接触，提高首次效率，缓冲体积膨胀，从而改善其循环稳定性。拟采用凝胶浇注或水热法结合喷雾造粒技术制备多种结构MgFe2O4材料，研究其电化学性能及储锂机理，探讨其构效关系，为高比容量、循环稳定的新型MgFe2O4负极材料设计制备提供研究依据。

本项目分别采用水/溶剂热法、凝胶浇筑法、喷雾干燥法和真空吸入法等合成了不同结构和形貌的MgFe2O4负极材料，表征了材料的结构及电化学性能，研究了材料的生长机理、脱嵌锂机制，并探讨了合成条件、材料结构和形貌对其电性能的影响规律。此外，还研究了导电聚合物（聚苯胺、聚吡咯等）的包覆工艺，及其对MgFe2O4电性能的影响规律。研究结果表明，纳米组装结构以及与导电材料的复合是解决材料体积膨胀，提高其循环稳定性和倍率性能的重要方法。通过与石墨烯、泡沫镍的复合，材料的容量发挥可以远远超出其理论比容量，5C以上充放电循环寿命大于500次。另外，对于该材料在循环过程中容量逐渐升高并远远超出其理论比容量的现象也进行了探讨。研究发现，材料的容量缓升和超容现象可能主要归结于其在循环过程中产生的电容特性。随着循环的进行，原始颗粒逐渐粉化成粒径更加细小的微晶，从而产生大量的晶界，进而产生了界面储锂现象。而且这个粉化过程是持续进行的，因而由界面储锂造成的电容特征为材料提供了额外的储锂容量。由于双电层电容效应的界面储锂的动力学远远快于固相扩散控制的转化反应，一定程度上可以解释材料极好的倍率性能。另外，在充放电过程中，部分Li以聚合物胶状膜的形式可逆的在电极表面存储与释放，也可以为电极提供额外的储锂容量。.本项目目前已发表标注本项目编号（21471049）的论文9篇，均为SCI论文；培养硕士研究生10名（其中5名获得硕士学位，5名在读）；在本项目的资助下科学研究、人才培养及其它工作均取得较好的成绩，课题负责人尹艳红教授入选河南省科技创新杰出青年，同年被评为新乡市先进工作者。