FeSn5新相:高性能锂离子电池负极材料研究

In 2005, the Sony Corporation commercialized a new battery system containing a cobalt-tin/carbon alloy. A 30% increase in the capacity per volume ratio compare to compare conventional lithium-ion batteries containing graphite-anode. In 2011，my group discovered FeSn5 new phase with Fe vacancies (Fe0.74Sn5) whose theoretical and practical capacities are 929 mAh/g and 750 mAh/g, respectively, that both are the highest to date for the reported M (electrochemically inactive)-Sn intermetallic anodes. We will explore new synthesis routes to control the FeSn5 nanoparticle size in several namometers level; substitute Fe with other metal elements, such as Co, Ni, Cu, etc.; coat or mix FeSn5 based alloys with carbon as well as coat FeSn5 alloys with Al, Ti by atomic layer deposition technology. Thus, we will make FeSn5 based-alloy anodes with high capacity, high power and high cycling stability. We will study atomic positions of FeSn5 based-alloy, their effect on the local crystal and electronic structures during charge/discharge cycling, as well as the effect of Fe vacancies on the stability of crystal structure and cycling stability. The success of this this project could make the new FeSn5 based-alloy as a potential anode material to challenge commercial SnCo/C compound anode.

2005年,索尼公司推出了以锡钴/碳合金为负极的商用新电池Nexelion。它的体积能量密度比以石墨为负极材料的通常锂离子电池提高了30%。本申请人的研究组在2011年发现了锡铁合金的新相FeSn5，它的(含有铁空位的Fe0.74Sn5) 理论和实测比容量分别高达929 mAh/g 和750 mAh/g。是迄今已知锡基合金中(另一相为非活性金属)的最高值。本研究将采用湿化学制备技术来控制FeSn5纳米颗粒尺寸并对Fe元素进行部分替代（如Co、Ni、Cu等）来系统优化FeSn5纳米合金，同时采用包覆或混合碳、以及原子层沉积技术包覆Al、Ti来修饰表面层技术来实现高容量密度、高倍率下的充放电循环的高稳定性。我们将研究FeSn5基合金材料的原子占位，在充放电过程中局域晶体结构与电子结构的演化，以及铁空位对结构和电池充放电循环稳定性的影响。该项目的成功预期将使FeSn5基合金的实用化跨出一大步。

发展电动汽车被认为是解决大气污染和能源危机的重要途径之一。目前，电动汽车的关键部件—锂离子的能量密度仍无法满足日益增长的容量需求。锡基负极材料具有高比容量（锡的理论比容量达到994 mAh/g，约是石墨的2.7倍；理论体积比容量达到7246 mAh/cm3，约是石墨的8.7倍），适中的电压平台，导电性高，成本低廉等优势而被认为是下一代高性能负极的有力候选者。然而，锡基负极材料充放电过程中巨大的体积膨胀导致的容量衰减问题大大抑制了其应用。为了改善锡基负极材料的循环稳定性，针对锡基负极材料的体积膨胀问题常采用的解决方案有：纳米化、碳复合、氧化处理、合金化等。.本项目在前期工作的基础上采用改进的多元醇法等湿化学方法制备单质锡纳米颗粒及MSn5（M=Fe、Co、Fe0.5Co0.5等）合金纳米颗粒，并通过石墨烯、碳纳米管、氮掺杂碳等对单质锡及锡基合金颗粒进行改性。主要研究成果包括：（1）首次制备Fe0.5Co0.5Sn5三元锡基合金新相，具有736 mAh/g的首次可逆容量，并且100次循环后仍保持初始容量的93.7%；（2）系统地研究了MSn5(M=Fe、Co及Fe0.5Co0.5)的电化学性能、反应机理、热力学及动力学性能，发展的研究方法为其他锂离子及钠离子电池充放电机理研究提供了有力的方法论；（3）分别采用石墨烯及碳纳米管对FeSn5及CoSn5进行了改性，有效改善了合金颗粒的储锂、储钠性能；（4）实现单质锡颗粒的尺寸控制，制备得到~10 nm的超细单质锡颗粒，并通过石墨烯复合改性有效提高了材料的循环稳定性；（5）利用喷雾干燥法成功制备了具有优异储锂、储钠性能的内联通孔道的微米笼材料，超细Sn纳米点（sub-5 nm）均匀分布在氮掺杂的碳基底中；（6）对NiSn5合金新相的合成进行了前期探索，并取得了一定成果。.本项目通过湿化学方法，包括改进多元醇法、油胺法、喷雾干燥法等对锡基负极材料进行了合金化、纳米化、复合化等改性。有效改善了锡基负极材料的循环稳定性，发展了多种锡基负极材料的制备、机理研究的方法，为锡基负极的科学研究及实用化推进提供了很有价值的数据及参考。