锂离子电池三维中空锡合金/高分子膜核壳纳米线阵列电极的稳定化研究

三维锡基纳米线阵列电极对发展微型和大功率锂离子电池有重要的价值，但锡锂合金化过程中体积膨胀造成的充放电循环寿命低和三维结构稳定性差限制了其应用。本项目从三维锡基纳米线阵列负极的稳定化出发，设计了高分子纳米隔膜包覆的中空锡合金纳米线核壳结构，利用中空结构和高分子壳的柔性，缓解锡在充放电过程中体积变化，同时利用高分子膜阻止三维纳米线阵列电极由于形变导致的破坏。揭示中空锡合金/高分子膜三维核壳结构纳米线阵列负极组成、结构，核壳材料的模量与充放电过程中电极体积变化、稳定性以及电化学性能之间的内在关系，探讨其作用机制。在此基础上，提出将聚合物电解质膜与三维锡纳米线阵列一体化相结合的复合电极的构想，以构筑稳定的电极与电解质界面，进一步探讨聚合物电解质与金属纳米线电极界面相容性、传质、表面转化以及电荷传递等一系列复杂过程，揭示电解质的离子传输机理。

针对新一代高容量、大功率锡基锂离子电池充放电循环过程中由于发生严重的体积膨胀，产生机械应力，导致活性材料粉化剥落，电极性能迅速下降的关键问题，本项目从三维锡基纳米线阵列负极的稳定化出发，设计了高分子纳米隔膜包覆的中空锡合金纳米核壳结构，利用中空结构和高分子壳的柔性，缓解锡在充放电过程中体积变化。分别制备出了锡纳米颗粒、镍纳米颗粒和镍纳米线阵列，以其为牺牲模板，利用电流置换反应，成功地得到了中空锡铜纳米颗粒、中空锡纳米颗粒、纳米线和中空锡纳米管阵列，对反应条件和制备的纳米结构进行了系统的研究分析和表征。通过组装成半电池进行充放电循环实验，中空锡铜颗粒循环30次后，其比容量仍保持在450 mAhg-1，中空锡纳米颗粒循环50次后，其比容量保持在406.6 mAhg-1，而实心锡纳米颗粒循环50次后，其比容量仅为63.1 mAhg-1；中空锡纳米管阵列负极循环100次后，其比容量仍高达402.5 mAhg-1，远高于Sn纳米线阵列的比容量（98.7 mAhg-1）。实验结果表明，中空锡纳米结构有效地缓解了锡在充放电过程中的体积膨胀，极大地提高了锡基负极的循环稳定性，同时利用高分子膜阻止了三维纳米线阵列电极由于形变导致的破坏。实验证明所设计的高分子隔膜包覆的中空锡合金纳米线核壳结构能有效缓解锡在充放电过程中体积变化，所采用的电流置换反应方法简便、有效，这为明年面上基金项目的开展奠定了坚实的基础。项目还对中空锡合金/高分子膜三维核壳结构负极组成、结构，核壳材料的模量与充放电过程中电极体积变化、稳定性以及电化学性能之间的内在关系及其作用机制做了初步研究。在项目进行过程中申请中国发明专利6项，发表SCI收录论文1篇，已投稿论文2篇。