FeSn5/碳分级复合材料的构筑及作为高性能锂离子电池负极的电化学性能研究

FeSn5 is a new tin-based binary alloy first discovered in 2011, which has the highest lithium storage theoretical specific capacity among the currently known binary tin-based alloys (alloyed with electrochemically inactive metals). It shows high developing value in the energy storage. However, the currently adopted preparation method of FeSn5 is costly, inefficient, and complicated, which is not conducive to practical popularization. The proposer found in preparatory work that, the formation of FeSn5 probably has “size effect”: the FeSn5 phase will form only when the precursor particle sizes are less than “critical dimension”. High energy ball grinding has highly efficient grain refining capacity, making it a feasible method to large-scale preparation of FeSn5. This research project plans to study the “size effect” of FeSn5 through polyol method, providing guidance on the preparation of FeSn5 using mechanical alloying method and further electrochemical modification by constructing hierarchical structure with carbon. The FeSn5/C hierarchical composite has cost advantage compared to SnCo/C anode material from Sony corporation and has the potential of large-scale application. The accomplish of the project will both promote theoretical research and practical popularization of tin-based anode materials.

FeSn5是于2011年首次发现的锡基二元合金相，是目前已知的理论比容量最高的锡基二元合金（合金金属为非活性），在储能领域具有较大的开发价值。然而目前采用的多元醇制备方法成本高、产量低、工艺复杂，不利于FeSn5合金的实用化推广。申请人在前期的工作中发现，FeSn5相很可能存在“尺寸效应”，只有当前驱体尺寸小于“临界尺寸”时才可能生成。高能球磨法具有高效的颗粒细化能力，从而为FeSn5相的规模化制备提供可能。本项目计划通过多元醇湿化学法研究FeSn5相的“尺寸效应”，并用研究结论指导机械合金化法制备FeSn5合金，同时复合碳材料改性，构筑FeSn5/碳分级复合材料。项目预期制备的FeSn5/碳分级复合材料比Sony公司的SnCo/C负极将更具成本优势，具有大规模推广的潜力。项目的完成将分别推动锡基合金理论研究和实用化推广的进展。

锂离子电池商业化石墨负极已达到性能瓶颈，开发新型负极材料是锂离子电池性能提升的关键路径之一。合金反应型负极（典型代表包括锡基、硅基负极等）因高比容量、电化学平台适中、原料成本低廉等优势被认为是最有希望获得大规模应用的下一代高性能锂离子电池负极。针对合金反应型负极充放电过程中高体积膨胀率导致颗粒粉化，高表面能导致纳米颗粒粗化等引发的材料电化学性能衰退问题，本项目通过新型合金材料设计、高性能载体材料开发、协同增强优化等策略改善了合金反应型负极的电化学性能，并通过合理的结构设计及复合改性改善了混合反应型负极的电化学可逆性。结合材料生长机理研究、电化学反应机理研究，本项目为锂离子电池合金反应型及混合反应型负极改性策略发展，新型载体材料的开发提供了有价值的参考。本项目的主要研究进展如下：.1.开发或合成了多种MSn5（M=Fe，Co，Ni，Fe0.5Ni0.5，Co0.5Ni0.5等）富锡合金材料，揭示了材料的生长机理并优化了材料的电化学性能。.2.开发了适用于合金反应型负极的少层Ti3C2Tx、多孔碳等载体材料的可控制备工艺，开展了材料作为合金反应型及混合反应型负极改性载体的研究。.3.实现了电极材料转换反应的可逆性调控，通过合理的复合改性及材料微结构设计开发了多种基于电极各组件材料协同增强的改性策略。.4.开展了金属负极材料的表界面性能优化研究，通过构筑人工界面层等策略提高了金属负极抗枝晶及抗副反应能力，改善了电极表界面反应动力学。