锂离子电池过渡金属氧化物薄膜电极基于表面科学和动力学性质的改性技术研究

lithium-ion batteries suffer problems of low specific capacity and poor security. Development of novel electrode materials for lithium-ion batteries is an effective way to solve the problems. Transition metal oxides MO (M = Co, Ni, Cu, Fe, Cr), as the anode materials for lithium-ion batteries, have attracted attention due to its high specific capacity, environmental friendliness, abundance, and low cost. In this project, surface science and kinetic properties of the transition metal oxides were analyzed and studied. The project intends to adopt thermal oxidation method and epitaxial growth method to prepare thin film electrode without conductive additive and binder as anode for lithium-ion batteries. GIXRD, XPS, ToF-SIMS, AFM, SEM and other analysis tools are applied to characterize the structure, morphology and spectral properties of the electrode materials before and after electrochemical process. The surface and interfacial properties of electrode and electrolyte, the electrode structure after the electrochemical reaction, the mechanism of lithium storage are studied systematically, and the kinetic properties are evaluated by electrochemical and spectroscopic methods, respectively. Finally, to overcome the obstacles of large volume expansion and poor conductivity of transition metal oxides, laminated metal oxides/graphene composite thin film electrode is developed.

锂离子电池的发展存在比能量低，安全性差等问题，开发锂离子电池新型电极材料是解决电池存在问题的有效途径。过渡金属氧化物 MO（M= Co, Ni, Cu, Fe, Cr）作为锂离子电池负极材料由于其比容量高，来源丰富，廉价易得等特点受到普遍关注。项目针对影响过渡金属氧化物电化学性能的表面性质和动力学性质进行了系统的分析与研究。该项目拟采用热氧化技术，制备不含导电剂和粘结剂的氧化物薄膜电极，用作锂电池负极材料。通过GIXRD、XPS、ToF-SIMS，AFM，SEM等分析表征手段对电极材料电化学前后的结构，形貌和光谱学性质进行表征，系统考察电解液和电极反应后的表面和界面性质，对反应后的电极材料进行结构分析，验证电极的转化储锂机理，并对该类材料的动力学性质运用电化学和光谱学两种方法进行评估，最后针对金属氧化物体积膨胀大，导电性差的特点，开发叠层生长制备金属氧化物/石墨烯复合材料薄膜电极的方法。

本项目主要针对金属氧化物作为锂离子电池负极材料开展研究。近年来，大量的工作集中在通过制备纳米尺寸的氧化物材料，提高其作为锂离子电池负极材料的电化学性能。基于前期的研究，我们发现金属氧化物虽然具有理论比容量高，成本低和安全等特点，但是这类材料在充放电过程中由于巨大的体积变化导致电极的粉化进而严重影响电池的循环性能。此外，依据动力学研究，金属氧化物电极材料作为锂离子电池电极材料的动力学性质较差，导致其不可逆容量损失较大，倍率性能较差，因此该类材料作为电极材料还需改善其导电性。依据这一特性，我们提出了对该类材料进行改性的具体方案，包括高导电性石墨烯包覆和掺杂合成二元金属氧化物等技术方案。在项目立项和执行期间取得了重要的研究进展，发表了多篇研究论文和专利。此外，本项目不仅实施了研究计划里的相关研究内容，还开拓了相关新的研究课题，比如钾离子电池，二维材料做锂离子电池等，并取得了部分研究成果。