氰胶前驱体法制备三维纳米多孔锡基合金及其储锂性能研究

Owing to their high specific capacities and safety, tin-based alloys have been considered to be one of the most promising anodic candidates to replace commercial carbon anodes in Li-ion batteries. However, state-of-the-art anodic performances of tin-based alloys are not satisfactory because of their poor cycling stability and rate capability, which hinder their practical application in Li-ion power batteries for transportation and stationary energy storage. To overcome these difficulties, in this project we propose to fabricate three-dimensional (3D) nanoporous tin-based alloys as anodes, using tin-based cyanogel systems as precursors. The 3D nanoporous structure is beneficial for enhancing the cycling stability and improving the rate capability of alloy systems. Furthermore, their lithium storage capabilities will be modified and optimized through the compositional design and carbon coating approaches, with the purpose of obtaining advanced tin-based alloy anodes for Li-ion power batteries, as well as revealing the physicochemical mechanism. The implementation of this project will pave the road for the practical application of tin-based alloy anodes and industrialization of Li-ion power batteries.

锡基合金具有比容量高和安全性好等优点，被认为是商业化锂离子电池碳负极材料的最理想替代物之一。但是，该类材料存在循环稳定性差以及高倍率充放电性能差这两个亟待解决的问题，目前还不能满足交通和储能用动力电池的需求，这制约了锡基合金在锂离子动力电池中的实际应用。针对上述问题，本项目提出以锡基氰胶体系为前驱体制备三维纳米多孔锡基合金，作为锂离子电池负极材料的新思路。利用三维纳米多孔结构改善锡基合金的循环稳定性和倍率特性，并通过合金组分设计以及碳包覆等改性途径进一步调控并优化其储锂性能，以此获得可用于锂离子动力电池负极的高性能锡基合金，并揭示相关的物理化学机制。本项目的实施对于推进锡基合金负极材料的实用化及锂离子动力电池的产业化具有重要的理论和实际意义。

锡基合金具有比容量高和安全性好等优点，被认为是锂离子电池用商业化碳负极材料的最理想替代物之一。但是，该类材料存在循环稳定性和高倍率充放电性能差这两个亟待解决的问题，目前还不能满足交通和储能用动力电池的需求，这制约了锡基合金在锂离子动力电池中的实际应用。针对上述问题，项目团队以锡基氰胶体系为前驱体，通过简便的化学还原过程制备三维纳米多孔锡基合金用于锂离子电池负极材料。利用三维纳米多孔结构改善锡基合金的循环稳定性和倍率特性，并通过合金组分设计以及碳复合等改性途径进一步调控并优化其储锂性能，获得高性能锡基合金负极材料，并揭示相关的物理化学机制。.项目团队利用四氯化锡和过渡金属氰化物的配位–取代反应，成功制备出一系列锡基氰胶体系，包括Sn(IV)–Ni(II)、Sn(IV)–Fe(II)、Sn(IV)–Fe(II)–Ni(II)和Sn(IV)–In(III)–Ni(II)–Co(III)等氰胶，并将氰胶体系拓展到其它主族金属(铟和锑)氰胶如In(III)–Co(III)、In(III)–Fe(III)和Sb(III)–Ni(II)等氰胶。进一步地，以锡基氰胶体系为前驱体，项目团队通过简便的化学还原如液相还原和热自还原过程制备出一系列三维纳米多孔锡基合金包括Sn–In–Ni和Sn–Ni@C/G等合金材料。作为锂离子电池负极材料，这些三维纳米多孔锡基合金具有独特的结构和组成优势，因而均表现出了好的循环稳定性、高的可逆比容量和倍率性能。项目团队在研究中还发现，氰胶不仅是三维纳米多孔合金材料的理想前驱体，其独特的框架结构性质以及异质金属物种均匀分布的特性使其同样适用于制备具有良好储锂性能的高度均匀化三维纳米多孔二氧化锡基复合氧化物包括SnO2–NiO和SnO2–Fe2O3等复合氧化物。本项目为设计合成新型锂离子电池锡基负极材料、理解电极材料构效关系进而获得高性能锡基合金及氧化物负极材料提供了重要的思路。