铁氧体基过渡金属氧化物催化制备多孔硅基锂离子电池负极复合材料的研究

Porous silicon-based composites are supposed to be the ideal anode materials for Li-ion batteries in the future. Present research reported on these materials still takes some disadvantages, such as complicated process, high porous silicon cost, and difficulty in large scale production. This project will focus on the fabrication of porous silicon materials via silicon reacting with the organic solvent (such as ethanol, glycol, and toluene) using the low-cost ferrite-based transition metal oxides (ZnaNibMncCodFe2O4, 0≤a,b,c,d≤1, a+b+c+d=1) catalysts. After the purifying, modification, and coating, the porous silicon/carbon and silicon/ferrite/carbon anode composite materials will be achieved. The effects of ferrite catalysts with different size, morphology, component, and preparation conditions on the pore structure of porous silicon-based materials will be investigated for understanding the pore formation mechanism. The electrochemical properties of these porous silicon-based anodes with different component, content, distribution and porosity, and the volume change and the Li-ion transportation within the composites during the lithiation-delithiation processes will be explored for disclosing the relationship of structure-component-property. The successful implementation of this project will provide a new method for preparing porous silicon materials and also be very significant for the development of the simple technology, low-cost, and large-scale manufacture of Li-ion batteries silicon-based anodes with high capacity and excellent cycle life.

多孔硅基复合材料是未来锂离子电池理想的负极材料之一。但从目前的研究来看存在工艺复杂、制备成本高、批量生产困难等问题。本项目采用廉价铁氧体基过渡金属氧化物(ZnaNibMncCodFe2O4,0≤a,b,c,d≤1,a+b+c+d=1)作为催化剂，通过硅片或硅粉与有机溶剂(如乙醇、乙二醇、甲苯)反应制备多孔硅材料，经过除杂、修饰、复合等过程制备多孔硅/碳或硅/铁氧体/碳锂离子电池负极复合材料。着重研究铁氧体催化成孔机理，探索催化剂颗粒大小、形貌、组成，反应条件对硅孔结构的调变机制。研究复合材料中不同组分、含量、分布及孔结构对电化学性能的影响，在脱嵌锂过程中的体积效应和锂离子的传输特性，解析结构-组成-性能之间的构效关系，开发制备工艺简单、成本低、容量高和循环性能好的多孔硅基负极复合材料。项目的顺利完成将提供一种新的多孔硅材料制备方法，并对锂离子电池硅基负极材料的发展和规模化制备具有重要意义。

多孔硅基复合材料是未来锂离子电池理想的负极材料之一。已有制备多孔硅方法主要有化学腐蚀法，化学气相沉积法，电化学刻蚀法，镁粉还原二氧化硅法和贵金属辅助催化刻蚀法，但存在工艺复杂、制备成本高等问题。本项目采用廉价铁氧体基过渡金属氧化物作为催化剂，通过硅片或硅粉与醇溶剂反应制备多孔硅材料，经过后处理制备了多孔硅/碳或硅/铁氧体/碳锂离子电池负极复合材料。通过电化学表征分析，在50mA/g的电流密度下，循环50周之后，Si/C、Si/Zn0.5Co0.5Fe2O4、Si/C/Zn0.5Co0.5Fe2O4的容量分别为1776.8、721.5、1003.1mAh/g，容量保持率分别为82.2%、59.7%、85.9%，并具有优异的倍率性能。同时，通过硅片在催化剂作用下与醇反应探讨了催化成孔机理，并通过电化学测试表征，研究了复合材料不同组分对电化学性能的影响，建立了一种通过铁氧体催化硅醇反应制备多孔硅基材料的新方法。顺利完成本项目研究内容和研究目标后，通过本基金开拓发展了其他探索性研究，并取得一些较好的研究成果。. 本项目结题时已经申请国家发明专利5项，发表标注基金号SCI文章13篇，中文文章1篇，未标注基金号SCI文章4篇，其中主持者发表第一及通讯作者论文9篇，培养硕士研究生3名，博士研究生1名，副研究员1位，助理研究员1位。