原位透射电镜研究高硫负载量锂硫电池硫正极材料的单体锂化及其电化学性能

In recent years, lithium-sulfur batteries electrode materials has made great progress in preparation, performance and theoretical analysis. However, the electrochemical performance of lithium-sulfur batteries with high sulphur-loading need be further improved, especially the electrochemical reaction, intermediate species and volume change of the electrode materials require further investigation. Based on my research foundation, this work will be carried out as follows: (1) The preparation of high sulphur-loading S-C@adsorption layer composites electrode materials. (2) Study on the influence of high sulphur-loading on the S-C@adsorption layer composite structures during lithiation process by TEM-STM electrical property testing system; discussing the influence of different species and thickness of adsorption layer on sulphur adsorption effect in case of high sulphur-loading, explaining the effect and mechanism of adsorption layer on lithiated performance of S-C@adsorption layer materials by combining electrochemical kinetics; study on the microstructure evolution and lithium insertion-deinsertion mechanism during lithiation process of liquid and solid S-C@adsorption layer composites electrode materials with high sulphur-loading, obtaining the related parameters that deduce volume change, avoid intermediate production that affect performance, and improve conductivity of sulfur-based composites materials. (3) Testing the electrochemical performance of liquid and solid S-C@adsorption layer electrode materials, selecting the composite materials with excellent performance and constructing high performance lithium battery devices.

近年来，锂硫电池电极材料的制备、性能和理论分析方面已经取得很大的进步。但高硫负载情况下，锂硫电池电化学性能还需进一步提高，特别是电化学反应过程、反应中间体及体积变化等关键问题还需要深入研究。基于申请者的研究基础，拟开展如下工作：（1）高负载硫-碳@吸附层复合电极材料的制备。（2）通过TEM-STM电学测试系统，研究锂化过程中高硫负载对硫-碳@吸附层结构的影响；在高硫负载情况下，研究不同种类和不同厚度吸附层材料对硫吸附作用的影响，结合电化学动力学阐明吸附层对硫-碳@吸附层材料锂化性能的影响及影响机理；研究高负载液态和固态硫-碳@吸附层复合材料锂化过程中微结构演化和嵌/脱锂机制，获得减小体积变化、避免影响性能的化学成分产生和提高复合材料电导率等相关参数。（3）测试液态和固态硫-碳@吸附层复合结构电极材料的电化学性能，遴选出性能优异的液态和固态硫-碳@吸附层复合结构，构建高性能的锂电池器件。

近年来，锂硫电池电极材料的制备、性能和理论分析方面已经取得很大的进步。但高硫负载情况下，锂硫电池电化学性能还需进一步提高，特别是电化学反应过程、反应中间体及体积变化等关键问题还需要深入研究。申请者通过三年的研究工作，获得多种高负载硫-碳@吸附层复合电极材料的制备方法，获得了锂硫电池电化学反应过程、反应中间体及体积变化等关键的电化学反应结果，提高了锂硫电池的电化学性能。重要结果和关键数据有：（1）成功制备了NiCo2O4/S复合结构、S-CNT@MXene复合结构、S@C@TiO2@C复合结构、MnO2@C/S复合结构、S@Co3O4/C复合结构、S@C@TiO2复合结构、S@CoO/C复合结构等锂硫电池电极复合材料，实现了高硫负载的硫-碳@吸附层结构。利用原位系统，研究部分硫-碳@吸附层复合电极材料在锂化过程中的微结构演化，实现对锂硫电池电化学反应过程中化学成分变化、体积变化和SEI膜变化等的有效控制，提出硫-碳@吸附层复合电极材料在反应过程中嵌/脱锂的机制。测试硫-碳@吸附层复合结构（NiCo2O4/S复合结构、S-CNT@MXene复合结构、S@C@TiO2@C复合结构、MnO2@C/S复合结构、S@Co3O4/C复合结构、S@C@TiO2复合结构、S@CoO/C复合结构）电极材料的电化学性能，获得性能优异的硫-碳@吸附层复合结构，构建了高性能的锂电池器件。（2）在该项目的支持下，成功制备了Sb@N-CM纳米棒、BiPO4@void@C/CNT纳米粒子、C-MoS2/CNTs复合材料、Co0.85Se@NCMT复合材料、NiS2/NiSe2异质结复合材料、CCF@SnS@G复合材料、N-CBCNT@rP复合材料等电池电极复合材料，并研究了这些复合材料的电池性能，获得了高性能的锂离子电池和钠离子电池。利用原位系统，研究这些复合材料在锂化过程中的微结构演化，揭示这些复合结构在反应过程中嵌/脱锂的机制。通过3年的课题研究，共发表SCI论文10篇，包括Advanced Science (1 篇)、Small (2 篇)、Journal of Materials Chemistry A(1 篇)、Chemical Engineering Journal (1 篇)等，申请专利3项，培养参与项目的1名讲师晋升为副教授，培养1名硕士毕业生，在读硕士研究生3名。