新型中间相炭微球微纳结构调控与储锂性能构效关系的研究

High power lithium ion battery has been bottlenecked by the poor performance of mesocarbon microbeads anode(MCMB). In this proposal, the microstructural evolvement during MCMB preparation has been investigated in situ by high temperature thermalgravimetry-mass spectrometry, XRD tracing technique and other in situ techniques. A model of tuning microstructure is expected to be built up by utilizing diversified structural revulsants. It will be demonstrated that the structure changes are tuned by surface coating、interface modification and element doping. The kinetics and diffusion behavior of lithium ion in the interfaces will be elucidated through investigating the electrochmical performance dependance on the microstructure. A high rate performanced MCMB material will be explored basing on above results, which will be promising candidate for high rate anode.

中间相炭微球负极材料较差的倍率性能成为锂离子动力电池进一步发展的瓶颈。本项目采用热天平、XRD等联用技术原位研究新型微纳复合的中间相炭微球微晶结构生长、微域单元构筑与微纳结构演化的机理，建立结构诱导单元对中间相炭微球形态结构调控模型。在此基础上，通过表面包覆、界面修饰、元素掺杂等方法对其结构进行调控，揭示锂离子在不同微纳结构炭微球的表面与界面的电化学扩散行为和动力学过程，从微观-介观-宏观多尺度揭示其结构与储锂行为的构效关系，构筑高倍率性能的新型微纳复合的中间相微球的负极材料。本项目拟阐明新型微纳复合的中间相炭微球结构调控、微纳结构演化及储锂行为的规律与调控策略，为探索新型高倍率的锂离子电池负极材料提供技术指导。

中间相炭微球以其良好的球形结构、较低的比表面积，较低的嵌锂电位、锂离子在其中较高的化学扩散系数，作为锂离子电池负极材料显示出独特的优势。本课题紧密围绕微纳结构小粒径中间相炭微球的制备及结构调控、改善离子扩散速率等难题，从中间相炭微球的制备、组成、结构与性能的关系入手，开展了系统深入的研究工作，取得了一系列创新性成果。发展了基于多聚磷酸（PPA）为分散剂、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）为表面活性剂的中间相沥青基炭微球的低温制备方法，揭示了在锂离子在材料内部嵌入/脱出规律；提出采用化学活化造孔法改善材料内部孔道结构的策略，从而进一步提高了离子在材料内部扩散动力学性能、降低界面电荷传输阻抗；同时也构筑了一种中间相沥青改性的聚合物基炭微球，显著提高了材料作为锂离子电池负极材料的倍率性能，实现了快速充放电特性；以中间相炭微球为负极、多孔炭为负极，通过负极高效预嵌锂工艺，组装成高性能的锂离子电容器，单体能量密度达55.9 Wh/L，功率密度达5023.9 W/L，低温-30ºC情况下，放电容量为常温容量的68%。另外还利用中间相炭微球同时作为正负极材料，构建了一种新型双炭电池，工作电压高达5.4V，3000次连续充放电，容量保持率达88.5%。