α-鳞石英/碳纳米反应器的共形构筑及其提升硫化物储锂（钠）循环特性机制研究

The major drawback of sulfide nanomaterials in Li (or Na) storage is their inferior cyclic performance caused by the issues of actives volume expansion, dissolution and out-diffusion losses. Aimed to effectively settle above issues and develop a general way to boost the cyclic endurance of sulfide species, this proposed project plans to take ZnS nanospheres (one typical sulfide anode) as a case study, and conformally construct a novel robust, thin and electrochemically stable α-tridymite/C nanoreactor on each ZnS nanosphere unit. The ultimate hybrids of ZnS nanospheres@tridymite/C nanoreactors can be readily achieved by the conventional liquid-phase reaction and CVD procedures. The intrinsic relationship between the synthetic conditions and hybrid nanostructure features will be systematically studied so as to deeply understand the nanoreactors’ in-situ evolution and conformal construction mechanism. Based on above research, we will investigate the influence of nanoreactor component/nanostructure variations on energy-storage behaviors and seek for the most reliable electrode configurations for battery applications. Furthermore, we also intend to study both the interfacial and inner changes of as-made hybrid electrodes in Li+ (Na+) insertion/extraction processes, thus understanding the working mechanisms of such nanoreactors that endow ZnS anode with greatly enhanced cyclic behaviors. This project will provide important scientific evidences for the development of high-performance sulfide nanomaterials for next-generation Li (Na)-ion batteries.

针对硫化物纳米材料在储锂（钠）过程中因体积膨胀、溶解和扩散流失所导致的循环性能差问题，本项目拟以ZnS纳米球负极为例，于每个纳米球活性单元外共形构筑一种结构稳固、轻薄且界面性质稳定的新型功能化α-鳞石英/碳纳米反应器，从而有效抑制活性物的体积变化和扩散外逸，显著提升电极的循环使用寿命。通过常规液相反应及CVD演化过程，实现ZnS纳米球@鳞石英/碳纳米反应器的可控构筑；系统研究该纳米反应器的微观结构特征与合成工艺之间的内在关联，揭示其在硫化物表面的原位演化与共形构筑机制。在此基础上研究反应器的成分及结构变化对电极性能的影响，获取最适宜储能应用的复合电极结构配置；通过深入探究储能反应过程中复合结构的界面及内核变化情况，从本质上揭示该反应器提升ZnS储锂（钠）循环特性的核心机制，为高性能硫化物电极材料的发展提供重要的科学参考依据。

在锂（钠）离子电池中，电极材料的性能是影响电池系统综合性能的关键因素之一。金属硫化物半导体材料具有较大的比容量，其储锂（钠）反应高度可逆，是一种有前景的负极候选材料。然而，金属硫化物在电化学反应中面临着体积膨胀明显、穿梭效应及固-液界面不稳定等诸多挑战；为解决这些难题，本项目旨在开发一种新型鳞石英/碳（t-SiO2/C）纳米反应器，将其共形构筑于金属硫化物表面，力求实现高性能储锂（钠）负极材料。本项目研究过程中，我们针对电极材料的修饰改性及电化学储能特性，从以下三个方面开展了研究工作：（1）鳞石英基纳米反应器的可控构筑及其提升材料储锂（钠）性能机制分析：利用化学手段实现了壳层厚度可控的t-SiO2/C纳米反应器，并将其共形构筑于金属硫化物及富镍/锂电极材料表面，探究了该复合壳层的生长演化过程并验证其对金属硫化物电极储锂/钠性能的影响，深入总结纳米反应器在电化学储能反应中所发挥的关键作用机制；（2）硫复合正极界面设计及其对锂硫电池储能特性的影响分析：利用多种化学手段实现不同界面结构的硫微球正极以及低碳硫复合正极材料，探究了界面结构与电化学反应动力学之间的关系并验证了低碳硫正极的综合性能，为可实用、高安全性硫复合正极的开发提供了参考依据；（3）铁基负极材料的可控构筑及其电化学储能特性研究：构筑了一系列铁基复合电极材料，探究了它们在镍铁电池中的反应动力学特性，开发了新型“摇椅式”铁离子水系电池体系并分析了其工作特性/机制，为铁基复合材料的电化学储能应用提供了参考依据。上述研究工作的积累为硫基复合材料及铁基复合材料的设计，以及新型二次电池体系的应用开发提供了重要的科学参考价值。