第IV主族金属锗(Ge)、锡(Sn)及其化合物作为锂离子电池新型负极材料,具有比容量高、工作电压低、离子传输速率高、安全性好、环境友好、储量丰富等优点,在国际上引起了科学家的关注。
与其他合金型化学物相似,锗、锡基电极材料在充放电过程中伴随着Li离子的嵌入与脱出,材料的体积会发生剧烈的膨胀与收缩。剧烈的体积变化,一方面会在材料表面形成一层不稳定的固态电解质膜,导致电极容量下降并降低库伦效率;另一方面会增大活性材料颗粒间的压力,对活性颗粒产生一种焊接效应,促使颗粒团聚而增大电极电阻,进一步导致电极容量下降。
针对这个问题,本项目从增大材料电化学活性、提高材料结构强度、调控材料微结构三种策略出发,通过创新合成方法,合成了一系列锗基以及锡基纳米材料,系统深入地研究了材料合成、形貌、结构与材料储锂性能之间的关系,深化了Ge、Sn负极材料合成-结构-性能之间规律性的认识,显著提高了其储锂性能。
1、主要研究内容
(1)以CuO纳米管/SnO2复合材料为例,通过调控充放电电压窗口,达到降低电极材料活化能进而提升材料储锂性能的目的,旨在为设计高性能复合电极材料提供新的理论指导;
(2)通过创新合成方法制备出新型锗基以及锡基复合材料,包括SnO2/石墨烯、GeO2/石墨烯、GeO2/碳纳米管等,从增强材料韧性角度提升储锂性能,旨在为锗基及锡基复合材料的设计与性能调控提供新方法和技术;
(3)通过液相法合成出一系列具有特殊微纳结构的锗、锡氧化物,包括多孔GeO2纳米棒、原子层厚度的SnO2片状多级体系等,系统研究了材料形貌、微结构与储锂性能之间的构效关系,阐明了材料内部的锂离子扩散机制,旨在为设计高性能锗、锡氧化物负极材料提供新的合成思路和方法。
2、科学发现点
(1)首次提出在复合材料电极体系中,调控电极材料电压窗口可起到降低电极材料活化能、提升材料储锂性能的效果,为设计高性能复合电极材料提供了一种全新的理论方案。
(2)改变制备条件,合成几种锗基以及锡基复合材料,增强材料韧性并阐明其内部材料之间的协同效应关系,为锗基以及锡基复合材料的设计与性能调控提供理论以及实验方案。
(3)发展了通用的液相法首次实现了一维GeO2纳米材料的制备,系统研究了材料结构与储锂性能之间的构效关系,阐明了材料内部的锂离子扩散机制,为设计高性能锗、锡氧化物微纳结构负极材料提供了新的合成思路和方法。
3、科学价值
该项目研究拓展了高性能锂离子电池领域的基础理论,丰富了锂离子电池负极材料领域的研究内容;为探索第IV主族Ge、Sn基锂离子电池负极材料的储能以及容量衰减机理提供了重要的依据;为Ge、Sn基纳米材料以及纳米复合材料的设计合成和结构性能调控研究提供了科学依据。
4、同行引用及评价
项目的研究成果得到了国内外同行的广泛关注,8篇代表性论文的他引总次数为487次(附件3.1),其中一篇为ESI高被引论文(附件5.10)。国内中国科学技术大学余彦教授,武汉理工大学麦立强教授,中科院曹国忠教授等能源领域知名学者在Adv. Mater., Adv. Energy Mater., Angew Chem. Int. Ed.,Nano Res.等国际顶级期刊上对我们的工作做了引用。国外新加坡南洋理工大学张华教授,国际材料研究学会联合会主席 B.V. R. Chowdari教授,爱尔兰科克大学Colm O'Dwyer教授在Chem. Rev.,Adv. Mater.,NanoEnergy等期刊中对我们的工作做了积极评价。