锂离子电池纳米材料电极界面过程的FTIRS、EQCM原位研究

项目针对纳米材料电极使界面过程复杂化、扩大化的问题和界面过程对电池性能有较大影响的现象，通过原位方法从分子水平、微观层次研究其界面反应，阐述电极结构、界面反应、电化学性能之间的关系，探讨界面反应的机理和对电池安全性能的影响。以介孔碳为模板合成磷酸铁锂正极材料；以课题组积累的制备具有开放结构纳米材料的经验为指导，制备三维纳米结构锡基合金负极；分析电极材料的循环性能和倍率性能，优化制备条件。然后通过电化学红外光谱（电位调制、偏振调制）和石英晶振微天平原位研究上述纳米电极上锂离子的嵌脱、电解液的分解和固体电解质膜的生成等过程。研究结果有助于发展锂离子电池界面过程的原位研究方法和非水电解质理论，并为进一步提高锂离子电池电化学性能和安全性能提供理论依据。

提高锂离子电池的性能和发展新型锂离子电池不仅需要从材料和电池设计方面入手，也需要对其界面过程进行深入的表征和分析。锂离子电池的界面对电池的循环性能、寿命、化学和物理稳定性、以及不可逆容量有重要的影响。因此从微观层次和分子水平研究界面过程十分必要。在该项目的支助下，我们开展了锂离子二次电池界面过程的原位研究以及电极材料制备的科研工作。共发表了标注基金号（21003102）的SCI收录论文13 篇，会议论文14 篇，申请专利3件。科研进展主要体现在: a. 通过原位红外光谱等方法研究了锂离子二次电池界面过程。设计了的新型原位红外电解池，研究了Sn 基负极、石墨薄膜负极材料、磷酸铁锂薄膜正极的界面过程。为了提高石墨、磷酸铁锂的红外反射率，在制备电极时我们尝试采用了旋转套膜的方法，并取得良好的效果。比较了在不同电解液中，充/放电时的溶剂化/去溶剂化过程和电解液分解过程，也对电化学循环后电极材料上的SEI膜的化学组分及其变化进行了分析。为了进一步认识 Sn 基材料的界面过程，我们采用XPS和ToF-SIMS分析了其在LiClO4/PC 电解液中的界面过程。同时也制备了EQCM电解池和磷酸铁锂电极，研究了磷酸铁锂首次充放电时的界面过程。b. 制备了高性能锂离子电池锡基负极和磷酸盐型正极材料，包括：(1)三维多孔 Sn-Co 材料，首次放电容量和充电容量为636.3 和528.7 mA/g，循环70 周后，容量保持率为83.1％；(2) 铁芒萁结构 Fe-Sn-Sb-P 材料，其首次充电容量为783 mAh/g，循环80 周后后为627 mAh/g；(3)三维纳米结构Sn-Sb-Co材料, 其首次的放电容量为832 mA/g，首次库仑效率约为78%，循环170 周的放电容量为513 mAh/g；(4) 磷酸盐形/碳复合材料，材料形状规则，尺寸为几百纳米，随碳含量的增加，样品逐渐从短柱状向片层结构变化。(5)纳米结构Na2MnPO4F/C复合材料, 以柠檬酸为碳源的材料，电性能最好。在1.5-4.8 V以5 mA/g充放电，材料的首次放电比容量约为80 mAh/g，并表现出较好的循环性能. (6) 碳包覆的LiMn0.5Fe0.5PO4材料，0.1 C时, 其容量为138 mAh/g；1 C 循环300周后，容量保持率为95%。