基于转化反应机制锂离子电池负极材料的多尺度结构构筑

This project focuses on the basic problems related to poor cycle ability and rate performance in the anode materials based on conversion reaction mechanism for lithium ion batteries. Firstly, this project focuses on the effective combination of characteristic structures in a wide range, i.e., defects on the atomic scale, building blocks on the nanoscale, and assembling on the microscale, to construct multiscale anodes. Secondly, the stress-strain effects during cycling and their effects on capacity, cycle ability, and lithium-ion diffusion kinetics in the obtained anodes will be investigated in detail. The processes/mechanisms of lithium storage, the ion transtorpation behavior and electrochemical polarization in the multiscale anodes will be understood. On those basies, theroretical modes will be proposed to realize high capacity, good cycle ability and rate performance simultaneously in the conversion based anodes, by optimizing the multiscale structures, improving the stability of structure/morphology, and controlling kinetics of ion transport. In the project, cost-effective preparation methods for novel mulitscale metal oxide anodes with high lithium storage performance will be developed. The implementation of this project would pave a new way to understand the ions storage in multiscale anodes, and thus show potential in energy research community.

本项目针对锂离子电池过渡金属氧化物负极材料存在循环稳定性和倍率性能差的内在基础科学问题展开研究。通过将原子尺度的缺陷结构、纳米尺度的结构单元以及微米尺度的组装方式有机结合，实现对电极材料的多尺度结构构筑，在此基础上研究嵌/脱锂过程产生的应力应变效应及其对电极容量、循环稳定性和扩散动力学的影响，掌握具有多尺度结构氧化物电极材料的储锂过程及机制，揭示锂离子在多尺度电极材料中的传输动力学和电化学极化规律。建立相关理论模型，并以理论为指导优化多尺度结构设计，控制电极材料的结构稳定性和嵌/脱锂动力学，实现金属氧化物负极材料高容量与高循环稳定性的统一，研发若干种新型具有多尺度结构的金属氧化物负极材料及其高效、低成本的制备方法。本项目研究对于深化认识各类金属氧化物负极材料的离子存储特性均有普遍意义，具有重要的学术价值和良好的应用前景。

本项目针对锂离子电池过渡金属氧化物负极材料存在循环稳定性和倍率性能差的内在基础科学问题展开研究，以典型的金属氧化物Co3O4，Nb2O5电极材料作为研究对象，采用一步水热法获得了不同形貌的纳米结构单元（立方体和片状）和纳米颗粒组装而成的显微球。在此基础上结合后续热处理引入了原子尺度的缺陷结构，理想的相界面以及可调的相组分，实现了对电极材料的多尺度结构构筑。采用多种微观结构表征方法（包括扫描电子显微镜、透射电子显微镜、x射线光电子能谱等）并结合电化学工作站，蓝电测试系统等测试手段系统地研究了缺陷，成分，相界面等对电化学性能的影响规律和作用机制，并阐明了具有多尺度结构的金属氧化物的嵌/脱锂机制和锂离子传输动力学。本项目的完成对于促进新型电化学储能电极材料的研究和发展具有指导意义。