基于高效活性层-集流体界面设计的柔性锂离子电池研究

To addresses the scientific problems of poor stability and low capacity of traditional materials in flexible battery applications，we herein propose a comprehensive strategy to achieve both high energy density and stable battery structure under practical operation condition. The strategy includes using high energy density metal oxides and nitrides as the main active component, and light carbon materials as supporting scaffold in battery design, as to achieve a balance between energy density and mechanical strength. The subject of research is divided into three levels: 1) For flexible current collectors, carbon materials are selected and physical and chemical modifications are used to reduce the density of the current collector and to provide extra capacity for the battery by increasing lithium insertion activity of carbon; 2) For the active layer electrode material, the internal stress in the bent state can be relieved by controlling the nano-morphology of the transition metal oxide and nitride grown in situ; 3) For the active layer-current collector interface, the binding ability of the active material to the substrate is improved by modifying the surface functional groups of the carbon skeleton or by utilizing the high-temperature reaction between active materials and the flexible substrate. Based on the experimental work of electrode preparation, device design and performance testing, the relationship between the design of electrodes and the electrochemical stability of flexible bending at various levels is clarified. This will provide new ideas and technologies for the future development of flexible lithium-ion parts for wearable electronic devices reserve.

本项目主要针对传统材料在柔性电池应用中面临的稳定性差、容量低的科学问题，提出了由高能量密度金属氧化物和氮化物作为主要活性组成部分，轻质碳材料作为骨架的复合柔性电极的合成策略，以期在柔性电池设计中兼顾能量密度与力学性能。研究具体分三个层面：1）针对柔性集流体，选用碳材料并通过物理化学修饰降低集流体密度并利用碳的嵌锂活性为电池提供额外容量；2）针对活性层电极材料，通过调控原位生长的过渡金属氧化物和氮化物的纳米形貌缓解弯曲状态的内部应力；3）针对活性层-集流体界面，利用碳骨架表面官能团修饰或利用金属氧（氮）化物与柔性基底的高温反应提高活性材料与基底的结合能力。研究旨在电极制备、器件设计和性能测试的实验工作基础上，阐明电极在各个层面的设计与柔性弯曲电化学稳定性的关系，为今后可穿戴电子器件的柔性锂离子部件研制提供新思路和技术储备。

未来柔性器件将作为便携设备的主要储能单元在市场中将逐渐得到应用，市场对柔性锂离子电池的需求也将形成巨大缺口。基于柔性锂离子电池在未来市场中可能具有的广大潜力和潜在机遇，项目利用高振实密度的过渡金属氧化物/氮化物或其二者复合物作为电池内部的主要储能载体，以轻质的碳柔性集流体作为主要骨架制备高性能柔性锂离子电池电极，并且在此基础上，将该技术进一步发展推广到厚电极材料，制备了具有高面积容量的一体化碳厚电极和泡沫镍厚电极，并取得了良好的进展。这些研究结果能为实现高性能柔性二次离子电极材料和厚电极技术的发展提供科学基础。.主要科学发现如下：.（1）创新性地利用利用高振实密度的过渡金属氧化物/氮化物或其二者复合物作为电池内部的主要储能载体，以轻质的碳柔性集流体作为主要骨架原位生长高振实密度金属氧化物/氮化物纳米线阵列，为高性能储能材料的可控控制备提供了新思路与新方法。.（2）从实际应用的角度出发，组装全电池并测试性能，发展了以全碳厚电极以及亚厚电极为主体的高面积/体积比容量柔性全电池器件的组装方法。.（3）利用原位表征和理论计算方法，并进一步探讨了厚电极中赝电容贡献率和实际赝电容容量之间的区别，归纳其中的构效关系，为将来进一步提升性能提供理论基础。.项目资助期内在国际知名学术刊物上发表21875292标注的SCI收录论文32篇(项目主持人作为通讯作者的总计33篇)，其中IF > 10.0 的论文23 篇，包括著名学术期刊Energy Stor. Mater.(1篇)，Carbon Energy (1 篇)，Carbon(2 篇)，Small(3 篇)，Appl. Catal. B-environ.(1 篇)，Chem. Eng. J. (3 篇)；5篇论文入选ESI-Highly Cited Papers。培养了以及正在培养博士生4名和16名硕士生，其中8名学生获得硕士学位。这些研究结果为实现以高能量密度金属氧化物和氮化物作为主要活性组成部分，轻质碳材料作为骨架的复合柔性电极的高效活性层-集流体界面设计的柔性锂离子电池合成策略提供了科学基础。对照研究工作计划，本项目超额完成了预期的研究目标，申请结题。