基于储锂“活性/惰性”导电金属的纳米多孔硅合金材料的可控制备及储锂性能研究

The exploration of Si anodes with high specific capacity and good cycling stability has been an intense research issue in the field of Li-ion batteries. In current work, we focus on dramatically improving the lithium storage performances of silicon by alleviating its volume effect based on the advantages of nanoporous architecture and excellent conductivity of optimized metals. The dealloying strategy of “alloy refining-etching” is used to straightforwardly achieve the construction of the incorporation of conductive metals, high porosity, and nanosizing. A series of nanoporous Si/M alloy anodes will be made with controllable structure dimensions and components by selectively etching the carefully designed precursor alloys, where M represents two types of conductive metals, the lithium-active metals Sn, Zn, Al, and the lithium-inert metals Fe, Ni, Ti. We will in detail discuss the effects of these two types of conductive metals on the structure stability and lithium storage performances of the as-made anodes, and achieve the key factors that lead to their performance differences. By optimizing the kind of conductive metal and its content, the lithium storage performances of Si will be further enhanced with preferable alloy anodes obtained for Li-ion batteries. These researches would be beneficial for providing considerable insights and understandings for the design and development of Si-based anodes.

开发比容量高循环性能好的硅负极材料是当前锂离子电池研究领域的热点之一。本项目旨在利用多孔结构的特点与金属高的导电性，通过纳米多孔化的结构设计及导电金属组分的优化有效缓解硅的体积效应，实现硅储锂性能的显著提高。基于“合金熔炼-腐蚀”的去合金化策略，实现导电金属引入、高孔隙率及纳米化的同步构筑。设计合适的合金前驱体材料，通过优化去合金化参数，实现多孔结构尺寸与组分的可调可控，制备一系列基于储锂活性(M=Sn/Zn/Al)和储锂惰性(M=Fe/Ni/Ti)导电金属的纳米多孔硅合金负极材料。系统研究两类不同储锂性质的金属对纳米多孔硅结构稳定性和储锂性能的影响规律，总结不同合金体系储锂性能差别的关键影响因素，通过导电金属种类与含量的优选，实现硅储锂性能的进一步提高，获得性能优越的硅合金负极材料。本项目的开展将丰富硅合金材料的制备路线，为高性能硅基负极材料的设计与开发提供启示与思路。

锂离子电池是新能源存储和利用的重要装置。目前，商业化应用的石墨类负极存在理论比容量较低和安全性不足的缺点。硅的理论比容量是石墨材料的十几倍，而且放电平台略高于石墨，可避免嵌脱锂循环中锂枝晶的析出，提高电池的安全性能，此外，硅还具有来源丰富及价格经济等优点，被认为是高性能锂离子电池中最有潜力的负极材料。开发比容量高、循环性能好且安全经济的新型硅基负极材料，对于高性能锂离子电池的开发具有重要意义。.本项目着眼于多孔材料的结构优势与金属高的导电性，采用去合金化策略实现了导电金属引入、高孔隙率及纳米化的同步构筑，制备出多种储锂活性和储锂惰性金属复合的纳米多孔硅基材料。成功炼制了多种不同组分比例的铝基合金前驱体材料，系统研究了腐蚀液的种类与浓度、时间等对产物组分比例和形貌尺寸的影响，实现了多种纳米多孔硅基负极材料的可控制备。研究发现储锂活性的Sn、Zn、Al 及储锂惰性的Ni 可以直接引入到纳米多孔硅骨架中，储锂惰性的Ti 和Fe 在多孔硅表面形成了氧化物壳层。深入研究了不同金属及含量对硅的比容量、首次库伦效率、循环稳定性、倍率性能以及电子与离子传导性能等的影响规律，找出了两类储锂性质不同的金属对纳米多孔硅储锂性能的影响机制，优选出多种性能优越的新型硅基负极材料。研究了不同金属及含量对硅储锂性能的影响规律，探明了两类储锂性质不同的金属对纳米多孔硅储锂性能的影响机制，优选出多种性能优越的硅基负极。研究发现储锂活性的金属不仅能改进硅的电子和离子传导性能，而且可以贡献储锂容量、缓解硅的体积效应，相比储锂惰性的金属更有效地改进了硅的储锂性能。本研究为高性能硅负极的制备提供了一条简便绿色高效、适合大量制备的途径，为高性能硅负极的设计开发提供了新的启示，有助于促进硅基锂离子电池负极材料的进一步发展与应用。