硫化物石墨烯复合材料的储钠机理及其微观结构调控对性能影响研究

Electrical energy storage is indispensable to any large-scale energy system that harvests energy from renewable but intermittent sources (sun, wind, tides and etc). Cost is the predominant consideration in the selection of the energy storage sub-system. The idea of sodium-ion batteries (NIBs) as a substitute of lithium-ion batteries for grid-scale energy storage was initially driven by cost considerations. The NIBs are still in the early stage of development and hence cell performance is determined mostly by the performance of the active materials, especially on anode. We have developed and reported a SnS2-RGO composite with excellent electrochemical performance as the anode of sodium-ion batteries on preliminary work. But the sodium storage mechanism is not yet clear and the thorough work remains to be further perfect. The project will control of the voltage window, analysis and study the mechanism of sodium storage on SnS2-RGO composites; The use of in situ XRD, TEM, and combining with DFT and first principles calculation reveals the electrochemical energy storage mechanism of the composite; Through careful incorporation of micro-structure with sulfide graphene composites and electronic transmission characteristics, to further improve its electrochemical properties; Eventually establish sulfide graphene composite will be applied to high performance NIBs anode system.

太阳能、风能、潮汐能等新能源发电是一类时效性绿色能源，这类可再生清洁能源的存储离不开能源存储设备。成本是绿色电网存储主要考虑的因素，钠离子电池相比于锂离子电池具有成本上的优势将有可能大规模应用到绿色储能电网领域。钠离子电池的研究主要在研究电极材料对性能的影响，特别是钠离子电池负极材料。在前期的工作中，我们发展报道了一种二硫化锡石墨烯(SnS2-RGO)复合材料展现出较好的钠离子电池负极性能。但是其储钠机理尚未清楚，深入的工作有待进一步完善。本项目拟对SnS2-RGO复合材料通过对其电压窗口调控，分析研究其储钠机理；并且利用原位XRD、TEM等表征手段，并且结合密度泛函DFT理论和第一性原理等理论计算揭示其复合材料的电化学储能机理；通过精细调控硫化物与石墨烯复合材料的微观结构以及电子传输特性，以进一步提高其电化学性能；最终建立硫化物石墨烯复合材料应用到高性能钠离子电池负极材料体系。

钠离子电池相比于锂离子电池具有成本上的优势将有可能大规模应用到绿色储能电网领域，近年来对于钠离子电池正、负极材料研究取得一定进展。然而，受Na离子半径较大的制约，在锂离子电池中商业化的石墨材料储钠性能不佳，急需开发合适的负极材料。硫化物由于具有较高的理论容量，被认为是理想的钠离子电池负极材料之一；然而，单纯的硫化物在充放电过程中巨大的体积变化、缓慢的离子扩散和较差的导电性严重限制了其应用。基于此，本项目研究围绕解决硫化物在储钠过程中体积膨胀大、导电差等问题：(1)合成了一系列硫化物石墨烯复合材料结构并对其微观结构进行调控，深入系统研究各种硫化物与石墨烯的协同与复合等储钠作用机理，得到了比容量高、循环和倍率性能好，库伦效率高的的钠离子电池负极材料；(2) 发展了简单的碳包覆或镶嵌硫化物复合结构，并且通过对其碳包覆厚度或镶嵌结构调控，优化硫化物碳复合材料的储钠性能，建立了硫化物碳复合材料应用到高性能钠离子电池负极材料体系。(3) 项目最终还扩展掌握了几类合成制备高比容量、高倍率的钠离子电池正、负极材料制备技术。本项目通过对硫化物与碳复合结构进行微观调控，显著提高了硫化物在充放电过程中结构稳定性与导电性，并且进一步扩展钠离子电子正、负极复合材料制备方法，为钠离子电池进一步应用提供一定基础。最终，项目负责人及团队围绕项目研究内容开展的工作，获得结果已在国际学术期刊发表SCI论文12篇，其中JCR一区论文4篇。