反胶束调控制备氧化铜微纳多级结构薄膜及其储锂性能优化

Recently, there has been an increasing demand for higher performance electrode materials of lithium-ion batteries to meet the rapid development of portable electronic devices, electric vehicles and other equipments. CuO has received much attention given its high capacity and reliable safety as a conversion-type transition metal oxide anode in lithium-ion batteries. However, it still faces drawbacks related with a high level of irreversibility and poor cycling life. Our recent study shows that CuO micro-nano hierarchical structured film based on Cu substrate can be used directly as electrodes for lithium-ion batteries. Compared with powder-form materials, CuO hierarchical structured film not only simplifies electrode preparation, but also enhances structure stability, reduces the contact resistance and thus improves electrochemical properties of the electrodes. This project aims to prepare such as Cu(OH)2 and Cu2(OH)2CO3 micro-nano hierarchical structured films on Cu foils through designing reverse micelles system (liquid W/O) to react with Cu substrates (solid). Moreover, CuO micro-nano hierarchical structured films resulted from the as-prepared Cu(OH)2 or Cu2(OH)2CO3 films will be used directly for electrodes of lithium-ion batteries. We will investigate the growth mechanism of the films on Cu substrates with reverse micelles mediation and reveal the storage mechanism of lithium ion in the electrodes. Through investigating the relationship of preparation condition-hierarchical structure-electrochemical property, CuO micro-nano hierarchical structures on Cu substrates will be tailored to optimize the electrochemical properties of the electrodes. This research project will lay theoretical and experimental foundation for extending reverse micelles technology to prepare micro-nano hierarchical structured films on metal substrates.

高速发展的便携消费电子、电动汽车和储能装置加速了对高性能锂离子电池电极材料的需求。CuO因具有较高的比容量和可靠的安全性能，作为过渡金属氧化物类锂离子电池负极材料近来引起关注。目前，其主要存在首次不可逆容量损失较大和循环性能较差两类问题。本项目前期研究表明，基于铜箔基底的CuO微纳多级结构薄膜可直接用作锂离子电池电极；与纳米或微纳多级结构粉体相比，不仅简化电极制作过程，而且提高电极材料结构稳定性，减小接触电阻，明显提高了电极电化学性能。为此拟通过设计反胶束液相与铜箔固相反应，制备Cu(OH)2等微纳多级结构薄膜，并将其转化为CuO微纳多级结构薄膜，直接构造锂离子电池电极。研究"制备条件-薄膜多级结构-电化学性能"之间的关系与规律，揭示薄膜的生长机理与储锂机制，实现CuO微纳多级结构薄膜的有效调控与性能优化。为将反胶束调控方法应用于金属基底上制备微纳多级结构薄膜奠定理论基础和实验依据。

随着电动汽车和其他储能装置的快速发展，加速了对高比容量锂离子电池电极材料的需求。过渡金属氧化物作为锂离子电池负极材料与石墨相比，具有更高的比容量，可以避免产生锂枝晶，改善电池的安全性能。本项目针对过渡金属氧化物负极材料首次不可逆容量损失较大、循环性能较差等问题，研究在多种金属基底上设计、制备过渡金属氧化物微纳多级结构薄膜，直接将其作为负极构建新型锂离子电池。并深入开展了材料形貌结构优化以及全电池的电化学性能研究等工作。相继在Angew. Chem. Int. Ed.、J. Mater. Chem. A与J. Power Sources等国内外学术刊物上发表论文44篇（SCI收录35篇）。3篇论文获安徽省自然科学优秀学术论文一等奖，2篇论文入选ESI高被引论文。申请发明专利6项（授权3项）。参加国内外学术会议40余人次，培养研究生30余人。出色地完成了项目任务书的目标。.重要研究结果包括以下几方面：.1. 设计助表面活性剂调控的反胶束微乳液反应体系，成功地在铜箔上制备规整的CuO微纳多级结构阵列。助表面活性剂正丁醇不仅增加了反胶束的膜强度，而且可以调控晶体的生长，得到形貌可控的有序阵列结构。所制备的CuO齿轮柱状微纳多级结构阵列作为锂离子电池负极表现出了优异的电化学性能，1 C、300次循环后放电比容量保持率为91.6%，15 C下仍具有418 mAh/g的较高放电比容量。.2. 提出了新颖的“水解-刻蚀自维持循环”通用生长方法，成功地在镍、钴、锌、镉、钛和铝等金属基底上原位定向沉积制备多种金属氧化物或其前驱体微纳结构阵列薄膜。该方法基于强酸弱碱盐在水热条件下水解产生H+，H+刻蚀金属基底生成金属离子并释放H2，H+的消耗会促进金属离子的水解反应，呈现自我维持循环的水解-刻蚀反应历程。其中，所得NiO多孔纳米带阵列直接用作锂离子电池负极，首次放电比容量达1017 mAh/g，30 C仍具有290 mAh/g的较高放电比容量。.3. 以生长在铜箔上的CuO阵列薄膜为负极，与LiNi0.5Mn1.5O4正极构建新型锂离子全电池，简化了锂离子电池的制作过程。所构建的CuO/LiNi0.5Mn1.5O4全电池，在0.1 C下能量密度达到217 Wh/kg。