卷曲型碳/锗/碳三层纳米膜管的结构构筑及其储钠性能研究

As a complementary technology to lithium ion battery (LIB), sodium ion battery (SIB) has attracted considerable research attention in recent years. The need for large scale applications has called for the development of high-performance electrodes because they have been a major limiting factor in overall battery performance. The identification of suitable alternative anodes is essential to close the gap in energy density between SIBs and LIBs. In this project, we propose to investigate the well-controlled construction of highly conductive and strain-engineered C/Ge/C trilayer nanomembrane tubes, the formation mechanisms, and the sodium storage properties of the unique structure. Firstly, combined magnetron sputtering with self-roll-up technology, shape-controlled C/Ge/C rolled-up tubes will be well optimized. Secondly, the synergistic effects of key factors such as the morphology and the structure of the anode materials will be discussed to achieve high sodium storage performance. Lastly, advanced in-situ and ex-situ characterization experiments will be carried out to probe the fundamental properties of the C/Ge/C tube, including the electrochemical kinetics, electrical conductivity and high-resolution structural evolution. We aim to contribute further to the understanding of the relationship between the architectural nanomembranes and the sodium storage properties. In addition, this project can provide new insight into the rational design of high-capacity and high-stability battery materials for SIBs.

作为一种新型储能器件，钠离子电池受到了国内外的广泛关注。其中负极材料的研究在很大程度上决定着整个电池体系的性能。因此，寻找一种合适的储钠负极材料是当前研究的重点和难点。本项目拟采用应力释放的方法构筑出卷曲型碳/锗/碳三层纳米膜管并对其储钠性能进行研究。首先，拟结合磁控溅射镀膜法与自卷曲技术实现可控制备卷曲型碳/锗/碳三层纳米膜管并研究其形成机理。然后，探讨材料储钠性能对管结构参数的依赖性规律，重点研究活性锗层和导电碳层的晶态和厚度、管径及其内部卷曲空间等对增强钠离子电池循环稳定性的机制。最后，采用原位和外原分析技术对碳/锗/碳纳米膜管的储钠机制进行深入研究。揭示其在电化学反应过程中的结构演化、电子迁移率、钠离子扩散速率、物相和SEI膜等的变化，建立碳/锗/碳纳米膜复合材料“微观结构-性能”之间的构效关系。项目的实施将为提高电极材料的钠离子存储容量和改善电极材料的稳定性提供新的策略和思路。

近年来钠离子电池以其丰富的资源和低廉的价格以及类似锂离子电池的电化学反应原理引起了人们的广泛兴趣。其中，负极材料的研究在很大程度上决定着整个电池体系的性能。因此寻找一种合适储钠负极材料是当前研究的重点和难点。本项目通过采用应力释放法，构筑了卷曲型的碳/锗/碳三层纳米膜管，并考察了它们的储钠性能。经过对实验结果的分析和概括，形成卷曲型碳/锗/碳三层纳米膜管可控制备的最优工艺路线和实验参数。同时，进一步探讨了材料的储钠性能和管状结构参数的依赖性，重点研究了活性锗层和导电碳层的晶态和厚度、管径及其内部卷曲空间等因素对改善钠离子电池循环稳定性的影响机制。揭示了电化学反应过程中结构演化、电子迁移率、钠离子扩散率、物相和SEI膜等方面的变化规律，并最终建立了碳/锗/碳纳米膜复合材料的“微观结构—性能”构效关系，从而对卷管薄膜材料的储钠机制有了更深入的认识。项目实施过程中，按照原规划开展了系统性的研究，取得了预期的研究成果，顺利完成了预期的考核指标。同时，我们制备了一系列负极材料，并研究了这些材料的电化学储能特性和机理，最终通过电极材料的结构设计提高了材料的循环稳定性和储能性能，开发出了一系列性能优异的负极材料。本项目相关的储能材料研究成果在国际学术期刊上共发表SCI论文8篇，其中4篇为第一作者兼通讯作者，2篇为通讯作者，2篇为合作论文。该项目的实施，为提升电极材料电化学存储容量和增强电极材料稳定性提供了一种新策略与新思路。