具有内部孔隙的碳基-金属氧化物三元复合材料的构筑及其钠离子电池负极性能研究

Na-ion batteries (NIBs) have been considered as a promising electrochemical system for large-scale energy storage applications due to its low cost, abundant sodium resources, and high safety. To develop suitable anode materials, metal oxides with high theoretical capacities have been widely studied as NIB anodes. However, most of metal oxides are electrically insulating and are accompanied with large volume changes, which result in the fast capacity fading and poor rate performance during cycles. To solve these problems, this project aims to provide a strategy by dispersing metal oxides within two carbon matrices with reserved internal void space. This strategy can enhance the electrical conductivity, accommodate the volume variation, and prevent the aggregation and pulverization of metal oxides during cycles, leading to high performance NIB anode materials. During the design and synthesis of carbon-metal oxide ternary composites, the effect of carbon composition, synthetic method, and void space on the performance of composites will be systematically investigated. By analyzing the morphology and structure of composites under various discharge/charge states, the sodium storage process of metal oxides and the performance enhancement mechanism of carbon-metal oxide ternary composite will be discussed in detail. This project is expected to achieve high performance anode materials with high specific capacity (>500 mAh g-1) and excellent cycling retention (500~1000 cycles), which is critical for the development of NIBs.

钠离子电池具有原料丰富、成本低廉、安全性高等优势，在大规模储能应用中有着很大的发展潜力。为了研发合适的钠离子电池负极材料，具有高理论容量的金属氧化物得到广大研究者的青睐。本项目针对金属氧化物因导电性差和体积变化大所引起的性能衰减问题，拟通过将金属氧化物分散在复合碳材料中，同时预留内部孔隙的策略，从而提高金属氧化物的导电性、容纳其体积变化并抑制团聚和粉碎等现象，来实现高性能的钠离子电池负极材料。在构筑碳-金属氧化物三元复合材料的过程中，系统研究不同碳纳米材料的结构组合、合成方法以及孔隙大小等因素对复合材料电池性能的影响。通过对充放电前后的电极材料进行结构和物相分析，探讨金属氧化物在储钠过程中的反应机理以及三元复合材料性能增强机制。此研究有望实现高性能钠离子电池负极材料的制备，使其比容量提高到500 mAh g-1以上，循环次数达到500-1000次，对推动钠离子电池的发展有重要意义。

钠离子电池因其原料丰富、价格低廉等优势成为电化学储能领域的研究热点，发展高性能的电极材料是钠离子电池研发的关键所在。金属氧化物和金属硫化物作为负极材料有着高的理论容量，然而其低的电导率和大的体积变化会导致电极结构发生崩塌，引起容量的快速衰减和较差的倍率性能。为了解决上述问题，本项目通过将金属氧/硫化物分散在复合碳材料中，同时预留内部孔隙的策略，来提高活性材料的导电性并缓冲其体积变化，抑制其团聚和粉碎现象，从而显著提高负极材料的循环稳定性和倍率性能。在构筑碳基复合材料的过程中，系统研究不同碳材料的结构组合、合成方法以及孔隙大小等因素对电池性能的影响，并借助理论计算、动力学分析和非原位表征等手段，获得金属氧/硫化物的电化学反应机理和以及复合材料的性能提升机制。主要研究成果如下：.1.合理构筑系列预留内部孔隙的碳-金属氧/硫化物三元复合材料。利用SiO2作为硬模板，成功实现多孔SnO2，NiFe2O4，SnS2，FeS2，填充在碳纳米管/石墨烯基底和碳/石墨烯外围包覆层中间，用于锂/钠存储均表现出良好的循环性能和倍率性能，并系统考察了内部孔隙和外围包覆层对电池性能的影响。.2.自模板法构筑空心结构复合材料用于钾离子存储。通过盐酸腐蚀以及高温自分解的策略，成功合成出摇铃状结构的NiSx@C和Bi@C纳米片复合材料，用于钾离子电池其循环次数高达8000次，优于同期发表的负极材料。.3.调控空心复合材料的电荷传输用于高性能钠/钾存储。针对空心复合材料的弱电荷传输问题，通过在石墨烯基底上原位构筑摇铃状FeS2@C结构以及构筑碳纳米管内部桥连的摇铃状Fe1-xS@C复合材料，有效提高空心复合材料在储钠/钾过程中的倍率性能和长期循环稳定性，性能优于同期发表的摇铃状结构和硫化铁基复合材料。.通过项目实施，基本完成项目预期目标，开发出5类具有优异储钠性能的碳-金属氧/硫化物三元复合材料，储钠容量达到600 mA h g-1以上，循环寿命达到2000次以上，共发表SCI论文10篇，申请发明专利4项，培养研究生三名。