硫化钼多孔三维自支撑负极的构筑及其储锂性能

Lithium ion batteries (LIB), with high energy density and long cycle life, are key components of portable electronic devices and electric vehicles. Its related research has become an important frontier in the field of energy storage. Anode is a crucial part for a LIB to store lithium ions. By choosing new anode materials and improving anode design, the electrochemical capacity of anode can be improved. However, newly developed anode materials exhibit huge volume changes during charge/discharge processes. Besides, existing anode designs contain additives which provide no electrochemical capacity. Aiming at these problems, this proposal will raise an approach of constructing porous 3D free-standing anode using molybdenum disulfide (MoS2) nanosheets. Polymeric layers, as spacers to prevent the restacking of nanosheets, sacrificial templates of porous structure, and precursors of carbon layers, will be decorated on the surfaces of MoS2 nanosheets. Subsequently, with well-controlled drying and calcination processes, a porous 3D free-standing MoS2 anode can be obtained. This proposal will utilize the high electrochemical capacity and small volume change during charge/discharge processes of MoS2, short diffusion length and outstanding surface area of nanosheets, together with the absence of additive and controllable micro- and macro-morphologies of 3D free-standing structure. Also, by regulating the dimensions of nanosheets, polymerization conditions, and drying/calcination processes, this proposal aims to develop a LIB anode system with high capacity, good rate capability, and stable cycling performance.

锂离子电池具备较高的能量密度和较长的使用寿命，是便携电子设备和电动汽车的关键元件，相关研究已成为储能领域的重要前沿。负极是锂离子电池储锂的重要部件，可以通过选择新型负极材料和改进负极结构设计两方面来解决负极电化学容量不高这一核心科学问题，本申请针对现有新型负极材料在充放电过程中体积变化过大、负极结构中含无容量添加剂的问题，提出了利用硫化钼纳米片构建多孔三维自支撑负极体系的研究思路。拟在硫化钼纳米片表面修饰聚合物层，作为防止纳米片团聚的分隔物、孔洞结构的牺牲模板、以及碳层的前驱物，并通过合理的干燥烧结过程得到硫化钼多孔三维自支撑负极。拟利用硫化钼电化学容量高、充放电时体积变化较小，纳米片锂离子扩散距离短、比表面积出众，以及三维自支撑结构无需添加剂、微观宏观形貌均可控的优点，通过控制纳米片尺寸、聚合反应条件、及干燥烧结过程，精确调控孔洞结构，发展高容量、高倍率且循环稳定的锂离子电池负极体系。

针对锂离子电池负极容量不高、循环稳定性不佳的问题，本课题通过聚合物牺牲模板法，利用硫化钼纳米片构筑宏观多孔三维自支撑电极，通过调控构成部件硫化钼纳米片和构建方法聚合物牺牲模板法，实现了该电极结构的可控制备，得到了高容量、循环稳定的锂离子电池负极体系。考察了反应原料比例、浓度、反应温度和时间长度等反应条件，实现了硫化钼纳米片的可控制备，并通过硫化钼纳米片制备过程中反应条件对最终形貌的影响，总结了大片硫化钼纳米片的形成条件及其形成机理。利用三聚氰胺、甲醛对硫化钼纳米片进行表面修饰，通过缩聚反应制备聚合物-硫化钼纳米片，最后通过干燥-烧结成功制备了多孔三维自支撑硫化钼电极结构。并通过调控聚合物模板与硫化钼的比例，同时调控反应条件，成功调控了多孔三维自支撑电极的孔洞结构，并对其电化学性能进行了比较。在此基础上，成功总结了一套使用聚合物牺牲模板法，利用纳米片制备多孔三维自支撑结构的标准化工艺，并成功地将该方法利用到氧化石墨烯等纳米片材料上，并通过在其表面修饰超小金属纳米颗粒增强赝电容存储，成功制备了一系列高容量、循环稳定的多孔三维自支撑电极。在对于该电极体系的电化学性能测试过程中，成功实现了X光衍射、拉曼光谱、X射线光电子能谱分析、电化学阻抗谱等一系列原位、非原位的表征手段，对电极体系在充放电过程中的变化进行了系统的研究。同时，实现了对多孔三维自支撑负极材料的动力学测试以及计算，实现了该电极体系在充放电过程中电荷转移的定量计算。上述结果对未来锂离子电池高性能负极材料的设计、合成、表征和应用有着重要的理论和实践意义，也为其他电极材料的研究提供了新思路。通过本项目的实施共发表SCI论文10篇，包括发表在一些高水平期刊上，如Advanced Materials（通讯作者）， Advanced Functional Materials（通讯作者），Small（通讯作者）等。