新颖三明治状双层石墨烯包覆纳米粒子的复合结构的设计合成以及储锂协同增强效应的研究

In Lithium Storage, electrode materials' pulverization and agglomeration, electrolyte diffusion, Li-ion transportation and charge transfer are the key factors to determine the system's performance. Focused on this, the research proposal aims at developing one cost-effective and efficient wet-chemistry approach towards controllable synthesis of a novel sandwiched composite where doubly-layered graphenes are tightly encapsulating the functional nanoparticles-LiFePO4, with glucose as carbon source and 2-dimentional layered double-cation hydrated phosphates or hydroxides as sacrifacial templates, respectively. The targeted products exhibit properties of structural novelty, adjustable nanoparticles' diameter, tunable graphenes' atomic layers and high yield. By rationally tailoring the thickness of the precursor, 2-dimentional layered double-cation hydrated phosphates or hydroxides, concentration of carbon source, reaction temperature and time, etc., the designed samples with Li-storage activity would be achieved and subsequently will be investigated on the electrochemical Lithium storage performance. Presumably the composites harvested from the success of this project not only demonstrate good electronic conductivity and high specific surface area, which are the common advantages of graphene@active materials composites, but also can conquer some well-known disadvantages, such as problems of electrolyte's permeation, agglomeration and difficulties in ionic diffusion. Synergic effect of the sandwiched encapsulating composite on Li storage will considerably enhance the rate capability, cyclability, and volumetric and grammetric energy densities. To elaborate the synergic effect will pave a new avenue for the design and synthesis of efficient Li-storage materials, and provide an important model and basis for the development of Li-storage theory. The method to be developed here will also open up a gate for enriching the family of graphen-based functional materials.

电化学储锂反应中，储锂活性物质的结构完整性、电解液扩散、锂离子传输和电荷转移是影响储锂性能的关键性因素。针对此，本项目拟通过以葡萄糖为碳源、层状二维双金属磷酸盐水合物或者氢氧化物为牺牲模板，低成本高效的湿化学方法可控制备双层石墨烯包裹磷酸铁锂纳米粒子的三明治状复合结构，并考察其作为电极材料的电化学储锂性能。该目标产物具有结构新颖、纳米粒子粒径可调、石墨烯碳原子层数可控和可批量制备的特点。据判断，该产物不但具有以往石墨烯复合结构所具有的优点，如导电良好和比表面积较大，而且可以克服已知的缺点，如与电解液浸润性不佳、储锂活性物质容易团聚粉碎和离子传输困难等。双层石墨烯包覆功能纳米粒子-磷酸铁锂的复合结构将展现储锂的协同增强效应，大大提高储锂的倍率、循环性能以及单位体积和单位质量的能量密度，深入揭示该储锂协同增强效应将为新型高效储锂材料的设计制备和储锂理论的发展提供经典的研究模型和重要的理论依据。

作为一种最清洁高效的能源形式，电能可以满足人类工作生活的诸多需求。电能储存技术的突破能够推动新能源产业的快速发展，更重要的是能够高效利用清洁能源，改变我国能源构成比例，促进节能减排；同时电化学储能可以将空间和时间上移动的各种可再生清洁能源形式转化为空间和时间上可控的能源形式，有利于清洁可再生能源的高效应用，符合人类社会节能减碳的发展需求；电化学储能还可以调节电力供需的峰值变化，使能源的开采使用更加合理和平稳。目前，国家对电化学动力储能提出了系统能量密度在2020年要达到260-300Wh/kg的目标，这就需要科研工作者继续优化储能电极材料的设计合成，进一步提高系统的整体储能效率。本研究项目，通过研究三明治状双层含氮石墨烯包覆磷酸镍@钴@锰@铁锂纳米粒子的复合结构以及磷酸铁锂纳米筛等产物对提高二次锂离子电池阴极性能的协同增强效应，深入揭示改善了二次锂离子电池电极性能的新原理，为理想、高效锂离子电池电极材料的设计合成提供典型的研究模型，为电化学储能理论的发展和当前二次锂离子电池工艺的改进提供重要的科学依据。依托该项目，所得三明治状双层（含氮）石墨烯包覆磷酸镍@钴@锰@铁锂纳米粒子的二维复合结构在二次锂离子电池的应用中，在电解液传输、锂离子交换和电荷转移中获得了很好的平衡，达到了调节电池输出电压、降低成本、提升电化学储能系统倍率、循环性能、单位质量和单位体积能量密度的目的，例如在1C充放电速率下，材料的储能容量达到了140mAh/g甚至超过的水平。相关成果将在优化提高二次锂离子电池总体性能方面具有重要的科学意义和产业化意义。.在该项目执行中，2013-2017年以项目负责人为通讯作者，发表SCI学术论文60余篇，大部分为一区二区论文，其中一区论文50余篇；申请发明专利两项。培养博士研究生6人，硕士12人，其中博士6人次获得国家奖学金（冯杨阳2次、张颜、许海涛、刘利、柏元娟），硕士8人次获得国家奖学金（李文祥、母艳萍、杨娇、罗盼、彭亮、罗盼、高姣姣、邓菊），1人获得唐立新奖学金（李文祥），2人获得京东方等企业奖学金（罗盼、关永鑫），两人次获得重庆大学研究生年度科技十佳（冯杨阳、彭亮），多人次获得黄尚廉院士研究生创新奖。由于项目负责人在电化学储能领域的突出成绩，荣获了重庆市首届十佳科技青年奖。