锂离子电池纳米线正极材料可控合成、单根纳米线微电池构建及其极限倍率性能研究

Nanostructured materials exhibit better rate capability as electrode material for lithium ion batteries due to the larger specific area and shorter diffusion distance than the bulk material. However, the coated electrode is not suitable for using to test the extreme rate capability of the electrode materials because the binder and dispersion effect will greatly reduce the electrical conductivity of the electrode. This project would prepare transition metal coordination polymer nanowires with uniform size and good dispersion. Then,the precursors are in-situ transformed into LiCoO2, LiMn2O4, LiNiO2, LiMO2(M=Ni，Co，Mn), LiFePO4 nanowires. The single nanowire electrode and micro-battery are fabricated by micro-nano fabrication technology. Then, the micro-battery testing platform is constructed to test the extreme rate capability of the nanowire electrode. The correlation of both morphology and structure with rate capability of the cathode nanowires would be studied. In addition, the changes of microstructure and phase structure of the cathode nanowires are real-time characterized by in-situ TEM during the charge/discharge process. The microstructure evolution mechanism of the cathode materials is elucidated at the atomic level.

纳米材料具有较大的比表面积和较短离子迁移距离，用作锂离子电池电极材料表现出良好的倍率性能。由于涂覆电极受到粘结剂和分散效果的干扰，目前很难测试纳米电极材料的极限倍率性能。本项目拟从可控合成尺寸均一、分散性好的过渡金属有机聚合物纳米线前驱体入手，原位转化制备高结晶性的LiCoO2、LiMn2O4、LiNiO2、LiMO2（M=Ni，Co，Mn）和LiFePO4纳米线；发展微纳技术加工单根纳米线电极和微电池的工艺方法，构建微电池测试平台，解决纳米材料倍率性能测试的难题；研究纳米线正极材料的极限倍率性能，建立纳米线正极材料结构、形貌与倍率性能之间的内在联系；结合TEM原位测试技术，在纳米线正极材料充放电的同时，实时表征正极材料的形貌和结构变化，在原子水平上阐明上述正极材料在电化学反应过程中的显微组织结构衍变机理。

纳米材料具有较大的比表面积和较短的离子迁移距离，用作锂/钠离子电池电极材料具有较好的电化学性能。然而，一般的电极材料都需要将纳米材料、粘结剂和乙炔黑三者充分混合后涂覆在集流体上面，纳米材料由于受到粘结剂的干扰，很难判断电池充放电过程中纳米材料电化学性能衰减的原因，本项目通过微纳加工技术，在MoO3单根纳米棒和单根MoO2-MoS2纳米棒两端负载集流体，然后用PDMS在手套箱中进行封装，加工单根MoO3纳米棒和单根MoO2-MoS2纳米棒微电池，揭示了MoO3纳米棒和MoO2-MoS2纳米棒的结构与电化学性能之间的关系，结合光学显微镜和拉曼mapping，研究纳米棒充放电过程中结构和形貌的变化，在微观结构上阐明电极材料在电化学反应过程中的结构演变机理。本项目进一步研究了其他的纳米材料，本项目采用水热法在静电纺丝法所合成的碳纤维布上生长了NiCo2O4纳米针、NiO-CoO、C@Ni1-xCoxSe2、碳包覆的SnS/SnO2异质结，通过该方法制备的纳米材料/碳纤维复合物形成一个三维复合结构，该结构有利于提高复合材料的循环稳定性，其中，碳纤维不仅可以提高材料的导电性，形成一个导电网络，还可以作为一个网络支撑体来负载纳米材料。在本基金的资助下，建立了一种静电纺丝法合成纳米材料/石墨烯复合材料的方法，通过将石墨烯溶解在DMF溶液中，制备了具有优异电化学性能的MoSe2@C/石墨烯、SnxSb/石墨烯、SnOx/石墨烯纳米结构复合材料。本项目所研究的内容为提高纳米材料的电化学性能提供思路，同时也为新能源（锂离子电池、钠离子电池、钾离子电池、超级电容器等等）电极材料的开发和应用奠定了基础。