锂离子电池中的混合导电介孔电极材料及其输运问题研究

高功率动力锂离子电池的主要特征是动力学性能优异，锂离子能够在材料中快速嵌入脱出。电池的功率密度决定于电池内部所有输运过程的速率，主要包括载流子在电极材料中的扩散；电荷在电极/电解质界面处的转移；离子在电解质中的迁移。一般认为，速率控制步骤主要为离子在电极材料内的扩散以及电极/电解质界面的转移。介孔纳微复合材料兼具纳米材料和微米材料的优点，是高功率锂离子电池的一个发展方向。本项目将系统研究锂离子和电子在具有混合导电的介孔纳微复合电极材料中的输运行为。研究孔径的大小及其有序度对离子输运的影响，研究在介孔材料上形成连续均匀的几个纳米厚度的表面修饰技术，研究表面导电修饰层与被包覆材料的微观界面结构、表面导电修饰层对电子、离子输运的影响，综合评价表面修饰的介孔纳微复合材料的动力学性质、循环性、安全性、储锂容量、效率等，为介孔纳微复合材料在超高功率锂离子电池中的应用奠定基础。

锂离子电池作为一种高效的储能装置备受关注，已经广泛用于便携式电子器件（手机、笔记本等），目前正小批量应用于新能源电动汽车中。然而到目前为止还没有研发出一种理想的动力锂离子电池体系能同时满足高功率密度、高能量密度和高安全性能等的要求。本项目主要是针对超高功率方面展开的。在本项目的支持下，我们合成了三类介孔电极材料，Li4Ti5O12，WxMo1-xO2及MoS2等，并重点对具有实用价值的零应变尖晶石Li4Ti5O12多孔负极材料进行了深入研究。提出利用离子液体在活性材料表面均匀包覆的新思路，实现在多孔Li4Ti5O12材料表面几个纳米的氮掺杂碳的包覆，构筑了具有分级三维混合导电网络。该复合材料的可逆比容量达到160 mAh/g和循环寿命达到2000余次，并显示出非常好的倍率性能，在10C时，容量仍可达到130 mAh/g。并详细研究了不同表面导电修饰层与被包覆材料的微观界面结构、表面导电修饰层对电子、离子输运的影响，利用球差校正技术在原子尺度研究了Li 在Li4Ti5O12中的储存机制。介孔MoO2材料由于具有较高的电子导电率，不需要进一步的表面修饰，本身具有分级三维混合导电网络，相比对应的微米材料，也显示了较高的储锂容量及倍率性能。有意思的是，通过引入W到MoO2晶格后，其储锂性能得到进一步提升。介孔MoS2的首周可逆储锂比容量为625 mAh g-1，显示较好的循环性能和倍率性能。将绝缘体S装载到有序多孔CMK－3中，形成具有分级三维混合导电网络，并在我们提出的双功能高盐浓度电解液体系中，其锂硫电池的综合性能得到大幅度提升包括可逆容量、循环性能和库仑效率等。.本项目所取得的成果为介孔纳微复合材料在超高功率锂离子电池中的应用奠定基础。经过3年的努力，实现本项目提出的预期目标，发表22 篇SCI 论文（其中6篇高质量SCI研究论文，例如相关研究结果发表在Nature Communications, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials，Energy & Environmental Science，Nano Letters等国际重要期刊），申请18 项中国发明专利。