新型锂电SnSbMe/MCMB异相“核-壳”结构体系的设计与嵌锂效应研究

项目采用分子设计与实验制备相结合的方式，研发新型锂电合金负极材料。首先基于密度泛函理论的第一性原理，根据异相界面电荷分布连续性和电化学性能要求，筛选出掺杂Me(Me= Ni, Cu, Co, Mn, Si, Zn, Al)的SnSb基合金的嵌锂中间相，研究嵌锂中间相减缓、抑制基体在充放电过程中因体积膨胀引起的结构崩塌的作用机理；合理设计碳包覆层的存在形态，研究锂离子在各相界面中的输运过程。其次，综合利用纳米高能球磨、高温固相法及化学还原技术，合成SnSbMe纳米颗粒，以MCMB碳微球为载体，将合金颗粒弥散钉扎在MCMB表面或内部；并用碳层作二次包覆，制备以合金颗粒嵌入MCMB为内核，外壳为碳包覆层的，成分、物相、界面微结构可控的特殊异相"核-壳"结构材料。利用碳材料循环稳定性高、导电性好的特点，使合金颗粒均匀分散，发挥纳米合金储锂的优势，又避免颗粒的团聚现象，大幅度提升负极材料的综合性能。

项目采用分子设计与实验制备相结合的方法，设计合成多种锂离子电池合金复合材料。理论计算表明：SnSb合金在充放电时，体系中不断游离出的Sn会形成团聚现象，生成各种锂锡合金，这将造成较大的体积效应，不利于后续的充放电循环稳定性；适当掺杂优化的金属组元Me，可提升合金的导电性，抑制减缓体系的膨胀效应。实验测试表明：以改性MCMB碳微球为载体，综合利用化学还原法、高能球磨法、溶胶凝胶法及热碳还原法等多种技术，将纳米合金颗粒弥散钉扎在MCMB 表面或内部，并用多种碳源作二次包覆，综合制备了SnSb/C、SnSb/MCMB、SnO2/MCMB、SnSbMn/C、SnSbCu/MCMB/C、SnSbCo/MCMB/C及多元氧化物等多种复合结构材料；研究表明，金属组元掺杂与碳包覆所形成的核壳结构，不仅发挥了纳米合金储锂的优势，又避免了颗粒的团聚现象，可有效提高合金负极的电化学性能。其中，SnSbCu0.5/MCMB/C复合材料的首次容量达530.8mAh/g，循环100周后容量仍保持为485mAh/g，容量保持率为93.49%；SnSbCo0.1/MCMB/C材料首次放电容量达到848mAh/g，70周循环之后容量为726mAh/g，保持率为85.6%。研究结论对以锂离子电池为主的电子产品的升级与应用，具有一定的理论价值与实用价值。