硒/多孔碳复合电极的储锂性能研究

In order to fulfill the requirement for high-energy-density, high-power-density, and long-cycle-life lithium-ion battery, this project aims to improve the electrochemical properties of selenium materials based cathode. The project will utilize porous carbon materials with high specific surface area and good conductivity to construct a selenium/porous carbon composite electrode, and use atomic layer deposition technology for the surface modification of the electrode material to further improve the cycling stability. The material preparation methods and parameters will be systematically studied and their influence on the microstructure, electrical conductivity, selenium content, surface area, and electrochemical performance of the composite electrode will be discussed. The project will also investigate the functional properties of porous carbon structure, surface oxide modification, selenium content and other factors for the fully understand of the lithium storage mechanism of the selenium electrode. Finally, the project will obtain a selenium/porous carbon composite cathode material with highly reversible capacity, high coulombic efficiency, and good cycling stability. In all, the project will not only provide new theoretical and experimental support to improve the low capacity of lithium-ion battery cathode and the poor cycling ability of selenium electrode, but also contribute to the comprehensive development of the selenium resources in Enshi, known as "Wolrd Capital of Selenium".

根据锂离子电池电极高能量密度、高功率密度和长时间循环性能的要求，本项目基于多孔碳的大比表面积和良好电导率制备硒/多孔碳复合正极材料，改善硒材料的电极反应动力学性能，提升硒材料的储锂性能，并利用原子层沉积技术对电极材料进行表面修饰以提升电极的循环稳定性和利用率。研究材料制备工艺对复合电极的微观组织结构、电导率、硒含量、比表面积等性能，以及储锂电化学性能的影响，阐明多孔碳结构、表面氧化物修饰、硒含量等因素改善电极储锂性能的机理以及它们之间的协同作用，获得高可逆容量、高库伦效率、以及高循环稳定性的硒/多孔碳复合正极材料，将为解决锂电池正极材料容量低、硒电极循环稳定性差的问题提供新的理论和实验依据，并对综合开发利用“世界硒都”恩施的硒资源有重要的指导意义。

能源危机和环境恶化对清洁储能器件提出了新的挑战。开发能量密度高、功率密度高和循环性能好的电化学储能器件是一项刻不容缓的重要任务。电极材料是决定储能器件性能的关键因素，目前可用于电化学储能器件的电极材料主要是碳材料、金属（氢）氧化物、硒化物、导电聚合物等。尽管许多碳基复合材料虽然表现出出色的潜力，但制作过程复杂，性能仍有不足，且欠缺安全性，这些限制了这些储能器件的实际应用。通过本项目研究，我们以合成多孔碳为基础，然后运用化学气相沉积、电化学沉积、溶液反应等方法，实现了一些列碳基复合电极材料（如碳/金属化合物）的制备，并进一步结合原子层沉积等方法对复合电极进行表面的物理化学修饰，进一步提升了储能器件的电化学储能性能，获得了容量高、能量密度高、倍率性能好、循环稳定性好等储能性能优异的储能器件。通过简单方法活化价格低廉的碳毡，获得高性能多孔碳，解决了碳基材料合成方法复杂，成本高的问题；以金属有机框架为前驱体简易化制备了高性能的碳基复合材料，通过同一前驱体获得两种材料并实现的其有效复合，为简易制备复合电极提供了新思路；通过简单的溶液反应，获得形貌规整且具有空心结构的复合电极材料，为获得空心结构的大比表面积的复合电极提供了借鉴依据；构建异质结复合材料，实现了阵列化的硒化钼/硫化钼复合材料，获得了良好的储能性能，为开发新型异质结复合材料提供了有效方法；通过对复合电极进行表面修饰，如运用原子层沉积和电化学沉积等方法，提升复合电极的储能性能，解决了电极材料导电性差和循环稳定性差的问题。因此，本研究的结果为碳基复合电极材料的简易化制备、表面修饰提升性能和高性能储能器件的开发提供了有意义的借鉴依据。相关研究结果已申请中国发明专利1项，在SCI期刊以上发表7篇论文，其中一区论文5篇，包括影响因子大于10的论文2篇。