金属氧化物的快速氢化及其在钠离子电池中的应用

Energy production and storage have become key issues concerning our welfare in economics and daily life. To explore emerging technology and materials for sodium-ion battery could be a promising direction for next-generation rechargeable batteries. Due to the limitation of conductivity and slow sodium ion diffusion of current battery materials, the development of sodium-ion battery is far behind lithium-ion batteries. Hydrogenation is a simple, efficient and cost-effective way for tailoring the electronic and morphological properties of the nanostructured materials. The technology improves the ionic mass transport of the semiconductors as well as the electronic conductivity of the pristine materials; consequently improve the electrochemical performance of sodium-ion batteries. In this project, a series of electrode materials such as SnO2, MnO2, MoO3, Fe2O3, Na2Ti3O7 will be subject to the hydrogenation treatment for sodium-ion batteries. The effectiveness of the hydrogenation process to the electrochemical crystalline structure, electrochemical behavior and performance will be systematically investigated. It is expected that this technology could tackle the barriers of the emerging modern batteries, such as the insufficient energy and power density, relatively high cost and poor cycle life performance of next-generation rechargeable batteries. Furthermore, this process can be readily scaled up for mass production and directly incorporated into the modern battery manufacturing process without the need to change existing industrial fabrication formulae and processes for energy conversion and storage applications.

先进能源材料和能源存储系统关系着我国经济和生活的命脉。开发适合钠离子嵌入/脱出的电极材料与工艺一直是二次电池研究领域的前沿方向。当前由于电池材料本身钠离子嵌入/脱出传输能力缓慢和导电性不足的限制，钠离子电池的发展远落后于锂离子电池。氢化是一种简单、易操作、成本效益高的技术，可提高材料的电子导电性和修饰晶体结构。本项目拟以高温高压快速氢化技术修饰金属氧化物，拓宽离子传输通道，增强其在电化学过程中的导电能力。修饰处理过的电极材料将应用于钠离子电池，以期大幅度降低电池的成本并提升其能量和功率密度。本项目系统研究氢化过程对材料物质结构的物化性质的影响、及与能源储存性能之间的定量构效关系，探求并阐述氢化对各种电极材料的作用机理，为生产实现低成本，高能量密度、以及大功率密度二次电池奠定基础。另外，氢化技术可以直接导入现代化电极材料生产工艺并用于大批量生产。

钠离子电池被认为是风能和太阳能等可再生能源电网储能的一种有前景的、具有成本效益的替代品。开发高倍率、高循环稳定性的新型电极材料是钠离子电池面临的迫切问题。因此，本项目主要开展了以下几方面的研究。通过水热法、溶胶凝胶法、熔盐法等方法设计合成了一系列金属氧化物电极材料（Bi基、TiO2、SnO2、SiO2等），采用XRD、SEM、TEM、XPS、Raman、BET等手段对材料的组成和结构进行了系统的表征，并将其应用于钠离子/锂离子电池的中。研究结果表明：合成的独特的多孔Bi-NS@C复合材料提高了材料的导电性能，为快速存储钠提供丰富的活性位点和弹性多孔结构，表现出卓越的电化学性能。设计并成功地合成了以稳定的C-S化学键固定在石墨烯表面的Bi2S3@rGO复合材料。由于复合材料组分的协同作用和独特的结构，使得负极材料具有很高的可逆性和显著的倍率性能。并用原位XRD证实了复合材料在钠离子电池中的反应机理。通过溶胶凝胶法制备的均匀TiO2 纳米颗粒，研究了不同碳含量对TiO2@NC复合材料的电化学性能的影响。结果表明，TiO2纳米颗粒有利于与电解液接触，提供更多的活性位点，同时减少Li+的传输路径； TiO2@NC复合材料具有较大的比表面积和孔体积同样有利于Li+的传输； TiO2@NC复合材料可以有效解决纯TiO2导电性问题以及减少Li+传输距离，提高电极的电化学性能。通过水热法制备出SnO2@NC复合材料，SnO2纳米小颗粒均匀分散在NC材料表面。研究了不同反应时间、不同NC复合量等对SnO2@NC复合材料的结构和电化学性能的影响规律。最终发现，SnO2@NC复合材料获得了优异的电化学性能。设计制备了类红毛丹的核壳结构SiO2@MNPC复合材料。独特的核壳结构有效的抑制了材料的体积膨胀，多孔的氮、磷共掺杂碳壳有效的提高了离子和电子传输效率，增加了更多的储锂活性位点。该复合材料展现出优异的电化学性能，在500 mA g-1下通过1000次循环后比容量无明显衰减，电流密度达到2000 mA g-1后容量还有300 mAh g-1。