紫外光固化法制备碳包覆超小金属氧化物应用于锂离子电池负极材料

Many approaches have been proposed for synthesis of novel nanomaterials, most of their reaction steps are relatively sophisticated and difficult to produce on a large scale. The nanomaterials are also easily agglomerated, making it difficult to uniformly disperse on the electrode, which leads to the fast capacity decay. In this project, to overcome the shortcomings, a series of carbon-coated ultra-small metal-oxides compounds will be prepared by UV curing technology. 2-Hydroxyethyl methacrylate and Poly(ethyleneglycol)dimethacrylate not only act as UV sensitive materials, but also dissolve inorganic metal salts as solvent under dark condition. Based on the distribution uniformity in the reaction process, the target products will be obtained and their lithium storage performance will be systematically studied. The development of new methodology for preparing carbon-coated ultra-small metal-oxides compounds by UV curing technology will be explored, and the investigation of correlation on precursor composition - nanomaterial structure - lithium ion battery property will be mainly focused on. Meanwhile，the lithium storage mechanism of ultra-small nanomaterials will be studied. The lithium storage performance of the electrode fabricated by UV curving technology may be enhanced and the mechanism will be also explained, which can promote the practical application of nanomaterials in the field of lithium-ion battery. The methodology used in this project is universal, which can be applied to other energy storage materials.

本项目针对目前尺寸均一、单分散的超小纳米材料合成过程较复杂，难以大规模生产，易发生团聚，应用于锂离子电池时容量衰减较快等问题，拟以光敏感材料甲基丙烯酸羟乙酯、聚乙二醇双甲基丙烯酸酯为溶剂，避光条件下将无机盐溶解，利用其紫外光引发瞬时固化的性质，制备一系列具有特殊纳米结构的碳包覆超小金属氧化物材料，并系统研究此类电极材料的储锂性能。重点开发利用紫外光固化法制备碳包覆超小金属氧化物材料的新方法，探究前驱体组成-纳米材料结构-电池储锂性能的关联关系，探究超小纳米材料储锂机制，阐明紫外光固化法制备的电极材料储锂性能增强机理，推进纳米材料在锂离子电池领域的实际应用。项目开发的利用紫外光固化技术制备超小金属氧化物的方法具有较大的普适性，可推广应用于其他储能材料。

超小尺寸纳米材料制备及其单分散性问题是纳米材料领域的重要研究课题。本项目拟采用紫外光固化法，解决超小纳米材料传统制备方法较复杂，易发生团聚导致活性材料性能降低等问题，为功能导向的新型纳米材料设计和制备提供了理论指导。项目执行期间，围绕超小尺寸纳米材料的制备及应用，开展了三方面的工作。研究成果概括如下：1. 利用紫外光固化法制备了一系列碳包覆超小氧化物纳米材料，此类材料用于电极材料时，具有较大的离子扩散速率，因此普遍具有优异的倍率性能；利用紫外光固化法成功制备了杂原子掺杂的多孔碳材料，基于材料特殊的结构优势，在电催化氧还原反应中，对过氧化氢具有极高的选择性及产率。2. 设计开发了一套多用途高温高压原位拉曼测试池，该原位池可用于不同场景的原位拉曼光谱测量。此原位池具有均匀稳定的加热台，可控制操作温度范围从室温到1000 ℃。该原位池还可以控制压力范围从1 Pa到6 MPa，并兼容不同气体。氧化性气体和还原性气体都可以通过所研究样品的表面；设计开发了一套高/低温原位XRD检测系统，该系统的探测角度覆盖了从4°到160°的范围。X射线衍射图谱可以在-30 ℃到100 ℃的宽温度范围内采集。此XRD原位池能够在充放电过程中对电池的电极结构随温度的演变进行原创性的研究，从而更深入的了解电极材料的结构演变。3. 提出了多种制备超小纳米材料的新方法，比如通过氧化石墨烯和镍泡沫在水中自发的界面氧化还原反应，然后通过简单的磷化过程，在泡沫镍上制备了负载在石墨烯上的超小磷化镍纳米颗粒。这种复合催化剂具有良好的三维分级纳米结构、高电导率和高密度的超小磷化镍颗粒，经过统计，石墨烯上的磷化镍颗粒密度可达24000粒子/平方微米，此材料在电解水反应中具有优异的催化性能。