高性能锂离子电池二维碳负极材料的制备、微观结构调控及储锂性能的研究

The research on the anode materials with high specific capacity is the key to the development of lithium-ion batteries with high energy density. Although the theoretical capacity of graphite anode is low, the advantages of carbon materials such as low price and environmental friendliness still make it great potential for research in the battery market. It has been reported that the specific capacity of carbon materials can be significantly increased by constructing micropores, reducing the size, etc. In this project, we propose to prepare nitrogen and sulfur co-doped two-dimensional carbon material with controllable size, thickness, and distribution density of surface cavity (2D-N,S-C) through a technical route combining hydrothermal method, heat treatment, and etching method. The controllable preparation of 2-D carbon materials in microstructure, chemical composition, interface features and other aspects can be realized through the design and modulation of the synthesis conditions, which can not only improve the specific capacity, but also effectively improve tap density and initial coulombic efficiency of 2D-N,S-C, making it more valuable for practical application. Meanwhile, the first-principle calculation and molecular dynamics simulation are applied to study the influence of co-doped atoms, surface cavity density and other factors on the microstructure and lithium storage properties of the 2-D carbon material as well as clarifying the relationship of structure and performance, lithium storage mechanism and performance optimization mechanism of 2D-N,S-C. The implementation of this project will provide an important theoretical basis and experimental guidance for the practical application of high-performance and low-cost carbon anode materials.

高比容量负极材料的研发是保障高能量密度锂离子动力电池发展的关键。虽然石墨类电极材料理论容量较低，但是碳材料价格低廉、环境友好等优点使其在动力电池市场上仍具有很大的开发价值。研究显示通过构造微孔、减小尺寸等可以显著提高碳材料的比容量。本项目拟采用水热法、热处理及刻蚀法相结合的技术路线制备氮硫双元素掺杂且尺寸、厚度、表面凹孔分布密度可控的二维碳材料（2D-N,S-C）。通过对合成条件的设计和调控，实现对二维碳材料在微观结构、化学组成、界面特性等方面的可控制备，在提升比容量的同时也能有效地改善材料的振实密度和首圈库伦效率，使其更具有实际应用价值。同时采用第一性原理计算及分子动力学模拟等手段研究共掺杂原子、表面凹孔密度等对二维碳材料微观结构及储锂性能的影响，阐明2D-N,S-C的构效关系、储锂机制及性能优化机理。本项目的实施，将为高性能低成本碳负极材料的实际应用提供重要的理论基础及技术依据。

以石墨为代表的碳材料在锂离子电池负极中得到了广泛应用。但其理论容量偏低，很难满足国家对高能量密度电池的需求。本项目聚焦低维碳材料的结构构建，同时进行有效的元素掺杂和孔道设计，以达到提高锂离子电池能量密度和功率密度的目的。. 首先利用席夫碱反应原理，在高温高压和过渡金属离子存在的条件下通过氨基和羰基缩合反应一体化构建富含金属硫化物颗粒的二维碳基复合纳米材料。将二维碳基复合纳米结构通过简单的蚀刻，得到氮硫双元素掺杂表面富集凹孔结构的类石墨烯二维碳材料。氮硫双元素掺杂和凹孔在诱导结构缺陷和改变材料电子态密度上起到协同作用，能显著地提升碳材料的比容量，缩短锂离子和电子的扩散路径，加快反应动力学。进一步通过改变前驱体种类及配比来改变缩合扩展路径以及与金属离子的配位方式，获得由二维纳米片交联组装而成的碳基微纳多孔球结构。这种微纳多级结构有效减少了副反应的发生，同时显著提升材料的振实密度，更具实际应用价值。此外，通过调控反应配体种类并加以催化剂辅助策略在室温下生成富集掺杂原子的多孔二维碳基纳米材料。相较于水热法，该工艺路线有利于规模化制备。. 基于本项目中金属硫化物模板的功能性利用策略，利用其在热处理过程中的分解和还原反应实现硫原子和金属量子点在碳基体中的掺杂，并协同促进纵孔碳纤维膜的形成。通过对碳基体的微观调控显著增加了碳纤维中的活性位点，有效缓解了体积膨胀，同时极大改善了离子和电子的扩散动力学。. 此外，针对传统的二维氧化石墨烯也开展了部分研究工作，开发了石墨烯基膜电极的超快速一体化制备工艺。通过加入合适的还原交联剂，氧化石墨烯和活性材料复合膜可在一分钟内迅速发生还原交联反应，形成石墨烯三维导电网络包裹活性物质的膜电极结构。膜电极的厚度、尺寸、形状以及所负载活性物质的种类、比例均易于调控，展示出了可规模化制备的潜力。. 上述研究成果将为高性能低成本碳基负极材料的开发提供重要的理论基础及技术依据。