硅纳米线-富勒烯综合体锂电池电极材料研究

硅具有很高的储锂理论比容量，是最有希望的新型锂离子电池负极材料之一。但硅基负极材料储锂后存在严重的体积膨胀，导致结构不稳定和容量快速衰减。本项目提出一种新颖的具有类拓扑网状结构特征的硅基负极材料，即硅纳米线-富勒烯阵列综合体结构。在该结构中，柔性导电富勒烯负载颗粒具有双重功能：一方面缓冲硅的体积膨胀，阻碍相邻硅纳米线的融合；另一方面充当硅纳米线的链接体，实现锂离子的多通道迁移。以硅纳米线-富勒烯综合体阵列结构作为负极材料制备出锂离子电池，采用微结构表征手段和电化学分析技术对其结构演变和电化学性能进行系统的评价和研究。结合计算模拟结果，通过研究制备工艺参数-材料微观结构-电化学性能之间的关系，阐明硅基综合体结构的储锂机制，解决硅作为负极材料在充放电过程中体积膨胀导致的循环性差、充放电性能低等关键问题，为硅材料作为新一代高性能锂离子电池的负极材料提供一种新的技术方案。

研发新型锂离子电池的关键问题之一在于能否设计并制造出性能优异的负极材料。对能够可逆地嵌入－脱嵌锂离子的负极材料的一般要求是：导电性好、锂离子嵌入引起的自由能变化小、锂离子扩散速率高以及在热力学上稳定且与电解质不发生反应。硅具有很高的储锂理论比容量，是最有希望的新型锂离子电池负极材料之一。但硅基负极材料储锂后存在严重的体积膨胀，导致结构不稳定和容量快速衰减。.本项目分别采用填埋、抽滤、表面修饰、自组装、电纺等多种手段，成功的制备出多种硅基锂离子电池负极材料，主要包括硅纳米线/碳基体、硅纳米线/氧化钴、硅纳米颗粒/石墨烯、硅纳米线/泡沫镍等，将其作为负极材料组装成锂离子电池发现这些Si基综合体结构比较有效的抑制了Si在充放电过程中的体积膨胀，改善了锂离子迁移的效率，有效地提高了硅锂电负极材料的循环稳定性和高倍率充放电性能，并对其储锂机制进行了系统研究。同时，充分利用了碳材料高导电和稳定性好的特点，我们还制备出碳纳米管/五氧化二钒、二氧化锡/石墨烯等几种高性能的碳基复合锂离子电池材料。.另外，项目负责人在本项目预期研究计划的基础上，积极拓展其他电容和光电化学电极材料及其性能的研究工作。.在本项目的资助下，在Advanced Functional Materials、Nanoscale、Electrochimica Acta等刊物上发表SCI论文44篇，被正面引用400余次。研究成果将为Si基材料在高性能锂离子电池电极中的应用提供有价值的技术方案。