生物遗态多孔碳材料的结构调控及其在锂硫二次电池中的应用研究

锂硫电池是目前最具吸引力的高能二次电池体系之一。本项目针对目前锂硫二次电池中存在的循环衰退快、现有石墨负极容量不匹配、硫电极载体碳材料合成工艺复杂、成本高、形貌难控制等难题展开研究。拟以来源丰富、环境友好、形貌多样的天然植物材料为碳源合成形貌可控、低成本、高导电性、高孔容的新型介孔遗态碳材料，通过研究其碳化、活化及介孔化机理，制备出适合填充硫和锡的介孔遗态碳材料，分别合成碳/硫复合正极和碳/锡复合负极材料，探索硫和锡在不同孔径、形貌介孔碳中的填充机制。通过对其电化学性能及嵌脱锂机制的研究，揭示介孔碳材料微结构与形貌变化对锂硫电池性能的影响，制备出满足高性能锂硫电池应用的多孔碳基复合材料。本课题涉及材料学、能源化学、植物化学等学科，本项目的研究将为探索新型多孔碳材料的合成方法、开发新型多形态植物基碳材料以及新型二次锂硫电池复合材料提供新思路和新方法。

现有商业化锂离子电池电极材料存在制备工艺复杂、结构难以控制、活性物质利用率低、循环稳定性和倍率性能差等问题，严重制约了锂离子电池在便携式电子设备、电动交通工具和智能电网等领域的实际应用。针对上述问题，本项目从生物资源高效利用角度出发，充分发挥生物材料尺寸均匀、形态多变、结构精密、环境友好等优点，采用生物遗态合成法可控构筑高性能多孔碳载体材料，并将其与硫、金属及其氧化物活性材料复合，获得了一类电化学性能优异的新型电极材料。通过系统研究生物材料预处理工艺、碳化工艺以及孔结构调控工艺对生物碳材料的微结构、比表面积、孔分布、孔容、石墨化程度和导电性等特性的影响规律，阐明了生物材料的碳化、成孔和结构调控机理；考察了生物碳载体材料对活性材料的颗粒尺寸、填充量、界面结构以及分布状态的影响，揭示了活性材料与生物碳材料的复合机制；探讨了复合电极材料电化学性能与微结构之间的相互关系，阐明了其高效储锂机理，归纳总结了生物遗态合成法可控制备碳基复合电极材料的基本规律，为高比容量、长循环寿命新型锂离子电池的设计和制造提供了重要的实验和理论基础。本项目共发表SCI收录论文26篇，申请国家发明专利19项，其中授权4项。