三维石墨烯载无机纳米颗粒的制备及其储锂性能研究

Lithium ion batteries (LIBs) are promising power sources for a wide range of applications, such as portable electronic devices and power battery because of their high energy density, long cycle life and green environmental protection etc. In order to meet the requirements of high energy power, exploring a high capacity, long life novel type of lithium ion battery anode material is an important aspect to improve the performance of lithium ion batteries. This project proposes the preparation of three-dimensional graphene (3D graphene) with channel structure and large inner space by self-assembly method using the chemical bonds cooperation between the graphene oxides, combining with the impregnation method to build inorganic nanoparticles/3D graphene composites. Furthermore, the construction of inorganic nanoparticles/3D graphene composites are achieved using direct recombination between inorganic nanoparticles with positive charge and graphene oxide with negative charge. The special novel structure of inorganic nanoparticles/3D graphene is expected to obviously accommodate the inorganic nanoparticles volume change during the charging (lithiation)-discharging (delithiation) processes but also provides effective pathways for electron transport and fast lithiation-delithiation. We will study the microstructure change of anode materials after the charging and discharging processes, revealing the structure-activity relationship of lithium storage properties to the microstructure of inorganic nanoparticle/3D graphene, developing several kinds of high charge and discharge capacity, long cycle life and high energy density of lithium ion battery anode materials.

锂离子电池由于其能量密度高、寿命长、安全性好和绿色环保等优点在便携式电子设备、动力电池等方面均有重要应用。为了满足高能量电源的需求，探索高容量、长寿命的新型锂离子电池负极材料是提高锂离子电池性能的一个重要方面。本项目提出利用氧化石墨烯之间的化学键合作用交联组装制备具有孔道结构和较大内部空间的三维结构石墨烯（3D石墨烯），结合浸渍法构筑出无机纳米颗粒/3D石墨烯复合材料；此外，拟利用带正电荷的无机纳米颗粒与带负电荷的氧化石墨烯直接复合组装构筑无机纳米颗粒/3D石墨烯复合材料。该新颖结构有望显著减缓负极活性材料在充放电过程中的体积效应，同时促进电子传递和锂离子快速脱嵌。研究多次充放电后负极材料微结构的变化，揭示无机纳米颗粒/3D石墨烯的微结构及其储锂性能之间的内在关联，发展出充放电容量大、循环寿命长和功率密度大的锂离子电池负极材料。

锂离子电池由于其能量密度高、寿命长、安全性好和绿色环保等优点在便携式电子设备、动力电池等方面均有重要应用。为了满足高能量电源的需求，探索高容量、长寿命的新型锂离子电池负极材料是提高锂离子电池性能的一个重要方面。本项目首先利用氧化石墨烯之间的化学键合作用交联组装制备具有孔道结构和较大内部空间的三维结构石墨烯（3D石墨烯）。然后，结合浸渍法构筑出SnS2@rGO，SnO2@rGO，NiCo2O4@rGO，NiMn2O4@rGO，MnO@rGO，CuS@rGO和MoS2@rGO等多种无机纳米颗粒-石墨烯复合材料；项目还利用带正电荷的无机纳米颗粒与带负电荷的氧化石墨烯直接复合组装构筑Li3V2(PO4)3/rGO复合材料和双层网络状Sn/C/rGO复合材料。此外，项目组还研制出MoS2微纳米管、分级结构的MoS2微纳米片、Fe2O3/SnO2多孔立方块和Fe2O3微纳米管等微纳米材料。这些材料均表现出优异的电化学储锂性能。例如，制备出三明治结构的NiMn2O4@rGO纳米复合材料在1000 mA g-1电流密度下循环1620次容量可达1384 mAh g-1。与商业的LiCoO2匹配制作成全电池，在50 mA g-1循环60次之后容量依然维持在1046 mAh g-1，且其倍率性能优越。SnS2@rGO复合材料具有较高的可逆容量(1267.1 mAh g-1经过100次循环)和优异的倍率性能(470.9 mAh g-1，2.0 A g-1的电流密度下)。此外，该材料的全电池也表现出来非常优异的性能(0.1 A g-1，连续循环200次，比容量为821.3 mAh g-1)。这一系列的新颖结构材料显著减缓负极活性材料在充放电过程中的体积效应，同时促进电子传递和锂离子快速脱嵌。本项目通过研究多次充放电后负极材料微结构的变化，揭示了无机纳米颗粒/3D石墨烯的微结构及其储锂性能之间的内在关联，发展出10多种充放电容量大、循环寿命长和功率密度大的锂离子电池负极材料。本项目研究丰富了微纳米材料的制备方法，尤其是石墨烯复合材料的制备方法。发展出来的微纳米材料在锂离子电池负极方面具有较大的应用前景。项目执行4年期间，在石墨烯复合材料制备和锂电池性能研究方面取得研究成果已经整理发表标注基金号SCI论文16篇，授权国家发明专利6项，培养毕业研究生9人，在读研究生5人。