基于电容效应增强和电极稳定的多孔复合金属硫化物电子/离子协同输运性能研究

Metal sulfides as electrode materials for ion battery have attracted great attention because of their green and environmental friendly character, low cost and high theoretically specific capacity. However, the low rate performance and cycling stability, resulting from the volume expansion of electrode materials during the charge-discharge progress and the low electronic and ionic conductivity, are still big problems for practical application. Based on the enhanced capacitive effects and stable electrodes, this research project is to design and prepare the N doped and modified graphene-porous metal sulfide electrode materials for ion battery to improve the electrons and ions synergistic transport and the kinetics. The large specific surface areas will increase the capacitive effect percent to improve the reversible capacity and facilitate the fast electrolyte diffusion and more active reaction sites. The porous structure will also buffer the volume change of the electrode materials during the charge-discharge progress. The uniform composition of N-doped and modified graphene will further enhance the stability and conductivity of the electrode materials and improve the electric and ionic synergy transport to final enhance the electrochemical performance. The optimal controlling method, effect factor, electrochemical kinetics mechanism, and the relationship between the electric and ionic synergy effect and the electrochemical performance will be researched in detail. The electrochemical theoretical support to obtain the ion battery with high performance will also be provided.

金属硫化物离子电池电极材料具有绿色环境友好、成本低廉、理论比容量高等优点，而其离子嵌脱过程中电极稳定性弱导致的循环稳定性较差和电子及离子导电率低导致的弱倍率性能仍是实际应用过程中的瓶颈问题。本项目基于电容效应比例和电极稳定性增强，以电子及离子的协同输运和动力学提升为目标，系统设计和制备氮掺杂改性石墨烯复合的多孔金属硫化物离子电池电极材料。利用多孔结构的大比表面积有效增加电容效应比例从而提高可逆充放电容量，多孔结构同时可提高充放电过程中电解液的快速传质和多活性位点反应且有效缓解体积膨胀；氮掺杂改性石墨烯的均匀复合进一步提高电极材料的导电性、稳定性且增强电子及离子的协同输运，最终提升多孔复合电极材料的综合电化学性能。研究多孔结构和石墨烯复合的最佳调控方法、影响因素、电化学反应动力学机理、电子及离子的协同输运机制及其与材料电化学性能间的关系，为高效离子电池开发和应用奠定良好的电化学基础。

随着全球能源与环境问题的加剧，电化学储能技术成为解决大规模及分布式可再生能源储存和利用的有效解决方案。锂离子及钠离子电池为代表的离子电池具有体积小、重量轻、环境友好、工作电压高、自放电小等优点，在便携式电子产品、可再生能源削峰填谷、电动交通工具等的开发和应用方面成为首选。离子电池电极材料的选择直接决定离子电池综合电化学性能的优劣。金属硫化物无论作为锂离子电池还是钠离子电池负极材料都具有理论比容量高、成本低、绿色环保、安全可靠等优点，因而成为离子电池负极材料研究热点之一。而其离子嵌脱过程中电极稳定性弱导致的循环稳定性较差和电子及离子导电率低导致的弱倍率性能仍是实际应用过程中的瓶颈问题。本项目基于表面电容效应增强和电极稳定，以充放电过程中电子和离子的输运性能协同提升为牵引，选择成本低、绿色环境友好、理论比容量高的金属硫化物系列材料作为研究的目标离子电池负极材料。针对其电子和离子导电性差和充放电过程中的电极体积膨胀问题，利用结构形貌调变及导电复合的导电增强及电极稳定作用，可控设计和制备了系列导电复合的金属硫化物三维电极材料，便于提高电极材料与电解液的充分接触和离子供应、有效增加电容反应比例，同时有效减小离子的扩散距离，方便其快速嵌入脱出，提高了电极材料的倍率性能。同时不同体系导电复合结构有效提高电极导电性且利于减缓充放电过程中金属硫化物的内应力和体积膨胀，提升电极稳定性同时有效提高电子和离子的协同增效作用，从而获得了系列高的充放电比容量、大的倍率性能和优良的循环性能的离子电池负极材料，包括硫化铁、硫化锌、硫化钼、硫化锡等与改性石墨烯、碳纳米管、多级孔碳等的复合电极。本项目圆满的完成了项目计划研究内容和目标，取得了比预期更多的研究成果，将为高容量高倍率及长循环离子电池开发和应用奠定良好的电化学基础。