基于室温液态金属的长寿命自修复锂离子电池负极材料的设计、制备及其储锂性能研究

The anode materials for the lithium ion battery with high capacity always suffer from the high volume expansion/contraction during lithiation and delithiation reactions. Such a volume change will result in crack formation, detach active materials from the current collector, deactivate the Li+ storage ability and lead to inferior cycle performance. To overcome these problems, we aim to fabricate a kind of self-healing anode based on the room-temperature liquid metal. Firstly, we will design and produce a series of liquid metal with high capacity, and the melting point is below the room temperature, then make the liquid metal into nanoparticles. Such liquid metal nanoparticles will be embedded in the hollow carbon fiber and get a yolk-shell structured anode. Due to the self healing property, the liquid metal will not be injured during the charge/discharge. The free space in the hollow fiber and the carbon shell can ensure the liquid metal nanoparticles will not damage the whole structure of the anode. Benefited by those properties, we can get a kind of anode with long cycle life and high performance. Such method will offer a new path toward achieving a long life electrode.

高容量锂离子电池负极材料在充放电过程中会发生剧烈的体积变化，引起电极结构的破坏，导致电极容量和寿命的降低。为解决此问题，本项目拟先设计和制备一系列高容量室温液态金属纳米液滴，再使用模板牺牲法制得具有yolk-shell结构的中空碳纤维包裹液态金属纳米液滴的负极材料。该材料将充分利用液态金属的自修复性能，充放电过程中不会因体积变化造成液态金属自身结构损伤；同时利用外层碳壳的限制和内层空隙的缓冲作用，来消除充放电过程中纳米液滴体积变化对电极整体结构的负面影响。具有高容量自修复性能的室温液态金属结合新颖的york-shell结构设计，可得到高容量长寿命锂离子电池负极，也对其他领域长寿命电极的设计起到指导作用。

碱金属电池(锂离子电池，钾离子电池等）作为一种清洁、可靠的储能技术在便携式电子设备、电动交通工具及储能电站等重要领域展现出极大的应用前景。负极材料作为电池的重要组成部分，其性能的优劣直接影响到整个电池器件的使用。项目申请人从电极结构调控出发，获得了性能优异的碱金属离子电池/碱金属电池负极。同时申请人还从机理方面对所制备材料性能优异的原因进行探究，提出了相应的理论。1）申请人设计并制备具有yolk-shell结构的中空碳纤维包裹液态金属纳米液滴的负极材料。该电极充分利用液态金属的自修复性能、外层碳壳的限域和内层空隙的缓冲作用，展现出优异的倍率性能和循环寿命：经过1500圈循环后，材料在1 A/g电流密度下可逆比容量仍可达到552 mAh/g；2）申请人通过超声辅助电化学剥离、同步电化学重构等方法制备出一系列高性能负极材料，这类材料在钠离子电池、钾离子电池及钾离子混合电容器中展现出优良性能。例如：制备的超薄二维铋纳米片钾离子电池负极在电流密度为20 A/g的情况下，可稳定循环超过2500圈，并保持200 mAh/g的容量。三维交联铋电极在常温及低温下都有较高的倍率性能和循环寿命（5000-10000次循环），作为钾离子混合超级电容器负极可输出111.8 Wh/Kg的能量密度和14312.6 W/kg的功率密度；3）为解决锂金属电池负极枝晶生长问题，一方面，申请人通过在沉积过程中适时地施以周期性的反向电流及时修复锂枝晶，延长了电池使用寿命。另一方面，利用液态金属液态属性和高导热性，获得具有高导热性和致密界面结构的一体化电极，通过调控电极表面热分布抑制锂枝晶生长；4）通过先进的原位技术手段提出新储能反应机理。这些研究工作将为高性能碱金属电池材料的设计与制备提供了一定的指导作用。