电化学储钠负极合金化反应研究

The large-scale energy storage demands the development of inexpensive sodium ion battery with high specific energy. In order to enhance the performance of sodium ion batteries, one of the key solutions is to explore high-capacity and safe anode materials. As carbon based materials show very low potential plateaus and limited Na insertion sites, they are not able to achieve high capacities and safety. Alloy based materials show high capacities and suitable sodiation potentials, while suffer from huge volumetric changes. Since the mechanism of Na alloying reactions are still not well understood, it is difficult to take effective means to realize fast and stable cyclings. Therefore, it is necessary to analyze in-depth from fundamental electrochemical research the essential factors effecting on the structure and performance. In this project, we plan to extend our previous works to the study of the phase transition of various alloying materials, the transportation pathway of sodium ions during the alloying processes, the formation, evolution and dynamics of SEI films, so as to reasonably construct alloy structures with high loadings and excellent performance for Na ion batteries.

发展价廉高比能的钠离子电池是大规模储能应用的必然需求，而高容量、高安全的储钠负极材料是提升电池性能的关键因素之一。目前碳基材料嵌钠电位太低且嵌钠位点有限，难以保证安全性和提高容量。而替碳合金材料虽具有高的嵌钠容量和合适的嵌钠电位，但仍然存在较大体积变化。然而目前人们对合金化反应机制知之甚少，尚缺乏有效手段实现合金材料的快速和稳定循环。因此，有必要从基础电化学研究出发，深入剖析影响结构和性能的内在因素。本项目拟在前期工作的基础上，进一步研究不同合金材料合金化反应中的相转变、钠离子在合金化过程中的输送机制、表面SEI膜的形成、在反应过程中的演化和钠离子传输的动力学问题，构建高性能、高载量合金储钠负极的结构体系，为合金负极的应用化研究提供基础认识，并开拓相关材料和特殊结构在钠离子电池中的应用。

发展价廉高比能的钠离子电池是大规模储能应用的必然需求，而高容量、高安全的储钠负极材料是提升电池性能的关键因素之一。替碳合金材料虽具有高的嵌钠容量和合适的嵌钠电位，但存在较大体积变化。因此，有必要从基础电化学研究出发，深入剖析影响结构和性能的内在因素。本项目的主要内容是拟在前期工作的基础上，进一步研究钠离子在合金化过程中的输送机制、表面SEI膜的形成、在反应过程中的演化和钠离子传输的动力学问题，构建高性能、高载量合金储钠负极的结构体系，为合金负极的应用化研究提供基础认识，并开拓相关材料和特殊结构在钠离子电池中的应用。.项目所取得的主要结果及关键数据如下：1.结合砂磨法和静电纺丝法制备一种碳纤维包覆锑纳米颗粒的复合材料（SbNP-CNFs），研究合金尺寸对电化学性能的影响，同时碳纤维的固定作用也提升了SbNP-CNFs循环性能（循环200周后容量保持率为93.1%）；2.研究不同碳载体对Sb基合金电化学性能的影响，SbNP分别与三种导电碳（石墨GRA、Super P和多壁碳纳米管）通过高能球磨法制备Sb/C复合物。实验结果显示不同的碳源对材料的电化学性能影响很大，其中纳米Sb和MWCNT的复合物表现出最优的电化学性能（循环300周后容量保持率为94.1%）；3.表面修饰技术改善电化学反应过程中结构应力，提高负极的循环稳定性。通过利用原子层沉积技术在Fe7S8/C电极表面合理构建了超薄无定形二氧化钛修饰层，显著提高了Fe7S8/C的电化学性能，显示出ALD层修饰在抑制体积变化方面的优势。.项目的意义在于通过项目的研究，可以为同类大体积变化的负极材料具有借鉴作用，在提升这类电极材料循环稳定性方面，可以考虑采用特定结构碳原料的修饰材料、减低粒径的方式和进行表面原子级修饰等途径；从应用层面上看，对现正在发展的锂离子电池合金负极，及以后储钠合金负极的实用化都具有一定的借鉴经验。