ZnM2S4(M=Mn,Co)-掺杂碳中空核-壳结构调控及储锂机理研究

In order to solve some practical problems of anode materials for lithium-ion batteries in energy density, rate capability and cycle life, this project will carry out the research, including the structure design, controllable preparation and lithium storage property optimization of core-shell ZnM2S4(M=Mn,Co)/doped carbon with internal void space, to obtain high-performance anode materials. On one hand, ZnM2S4(M=Mn,Co) with excellent electrical conductivity and electrochemical activity increases the energy density and rate capability of the composites. On the other hand, the synergistic effect between doped carbon nanomaterial and core-shell structure with internal void space can maintain the integrity of the microstructure, and restrain the dissolution of polysulfide, which endows the anode materials superior cycle life. The composites will be prepared via self-assembly/in situ polymerization/anion exchange methods. Through studying the formation and lithium storage properties of composites, the research is to reveal the microstructure formation and lithium storage mechanism of the composites, explore the interrelation between the component and microstructure as well as lithium storage properties, and optimize the comprehensive lithium storage properties of the composites. This will provide the theoretical basis for exploitation of novel anode materials, possessing important scientific significance.

针对目前锂离子电池阳极材料在能量密度、快速充放电能力和循环使用寿命等方面存在的现实问题，本项目拟开展ZnM2S4(M=Mn,Co)-掺杂碳中空核-壳结构复合材料的组分设计、微观结构构筑及储锂机理研究，旨在获得比容量高、快速充放电能力佳、循环寿命长的先进阳极材料。ZnM2S4(M=Mn,Co)良好的导电性和优异的电化学活性可提高复合材料的能量密度和快速充放电能力，中空核-壳结构和掺杂碳材料的协同作用能够确保复合材料微观结构的完整性，抑制多硫化物的溶解，赋予电极材料更长的循环寿命。采用自组装/原位化学聚合/阴离子交换反应相结合的策略实现复合材料的可控制备。通过系统地研究复合材料的形成过程与宏观储锂性质，阐明复合材料微观结构构筑的内在机理，揭示复合材料的储能本质，探索其组成、微观结构与储锂性能的内在联系，实现综合储锂性能的优化，为新型高性能阳极材料的设计与开发提供理论依据，具有重要的科学意义。

本项目主要针对目前锂离子电池负极材料在能量密度、倍率性能和循环使用寿命方面存在的现实问题，以完善复合金属化合物ZnM2S(O)4(M=Mn,Co)的组成与性质、设计并优化ZnM2S(O)4(M=Mn,Co)-掺杂碳复合材料的微观结构、提高复合电极材料的综合储锂性质为目标，开展了ZnM2S(O)4(M=Mn,Co)的组成设计、形成过程及储锂机理研究。在水/醇混合溶剂中，研究了Zn2+和Mn2+在氧化石墨烯表面的自组装行为，实现了微/介孔分级结构的Zn-Mn-O/G纳米复合材料的可控制备，在500 mA g-1的电流密度下经过100次循环后比容量为1216 mAh g-1;采用自蔓延法合成了MAX相的Ti2SC和Ti3SiC2，研究了材料粒径大小对其电化学储锂性能的影响;以可再生的天然山药为原材料，采用水热和高温退火相结合的方法制备得到比表面积高达2022 m2 g-1的分级多孔碳气凝胶材料。研究了退火温度、碱浓度等对气凝胶微观结构的影响并分析了其电化学储能性能;在醇溶剂中，研究了ZnMn2S4微球的形成机理。分析了金属离子浓度、醇的种类及反应温度等对ZnMn2S4微球自组装行为的影响；采用氧化石墨烯为模板，在乙二醇溶剂中，制备得到了二维ZnFe2O4纳米片与石墨烯的复合材料。系统地分析了二维ZnFe2O4纳米片的形成机理并研究了所制备复合材料的储锂能力；分别采用阴/阳离子掺杂金属氧化物/石墨烯复合材料，电化学测试结果表明阴/阳离子可以极大地提高相应金属氧化物的储锂能力；采用形核诱导自组装方法，开发出3D多孔金属氧化物/石墨烯水凝胶；该法具有普适性，可用于3D多孔 CoO/石墨烯、MnO/石墨烯和Fe2O3/石墨烯水凝胶的合成；在0.5 A g-1的电流密度下，所制备的CoO/rGO水凝胶的比容量为1142.8 mAh g-1；在4 A g-1的电流密度下循环800圈后比容量仍然高达493.3 mAh g-1。