配位均匀沉淀法可控合成双金属氧化物多壳层小空心球及储能构效关系研究

The multi-shelled mini-hollow structures have great advantages in optimizing electrochemical performances of electrode materials for lithium ion batteries. However, there are great challenges including the lack of effective synthesis method and difficulty in controlling the microstructure. The subject is devoted to exploring a simple and effective preparation route to realize controllable synthesis of multi-shelled binary transition metal oxide mini-hollow microspheres by a coordination homogeneous precipitation method. Through the construction and regulation of multi-shelled mini-hollow microstructures, the inherent relationship and interaction theory between microstructure and electrochemical Li+-strorage performance will be rationally established to reveal the law of the interaction between the microstructure and electrochemical properties of electrode materials. The "mini-hollow" and "yolk-shell" were designed to improve the structure stability of materials, reduce the mechanical stress caused by the volume expansion and stabilize the "SEI film". The key problems of low Colombic efficiency and conflict bewteen high capacity/long-cylce life and structural stability will be solved through the synergetic contribution from “mini-hollow”, “yolk-shell” and “stable SEI”, which will provide new insight and fundamental guidance for further design, fabrication and practical applications of advanced electrode materials for advanced LIBs.

鉴于多壳层小空心结构在优化锂电池电极材料方面的极大优势与其合成方法的有限性和壳层结构难控性的矛盾，本课题致力于探索一种简单而有效的合成方法，以二元过渡金属氧化物作为研究目标，通过配位均相沉淀法合成具有不同壳层结构的微纳米小空心球。通过壳层结构的构筑与调控，建立材料结构-性能关系模型，揭示多壳层微结构与材料电性能之间的作用规律，借助于“mini-hollow”及“yolk-shell”设计以提高材料结构稳定性，降低体积效应产生的机械应力并稳定“SEI膜”，从而解决双金属氧化物库伦效率低、高比容量/长寿命与其结构稳定不可兼顾的关键问题，为先进锂电池电极材料设计、构建及应用开发提供理论指导和科学依据。

以锂离子为代表的新能源电池，其应用仍受制于安全问题、使用寿命与日益增长的对高能量和高功率密度的需求问题。本项目利用均相沉淀法构筑过渡金属氧化物的核壳小空心微球，利用多壳层小空心微米球以解决电极材料库伦效率低、导电性差、高比容量/长寿命与结构稳定性不可兼顾的问题。研究不同合成条件下各控制因素对材料核壳空心结构的影响，探讨了核壳空心结构与电化学性能之间的关系。并拓展配位均匀沉淀法用来构筑不同形貌的过渡金属氧化物，包括多孔的氧化铜微球及由纳米颗粒组装形成的多孔结构钒酸锌二维纳米片等。同时以钒酸盐为研究对象，通过利用水分子，铵根离子以及金属离子等作为插层离子，结合形貌调控、缺陷工程以及构筑复合材料等措施以调控钒基电极材料在充放电过程中结构转变机制并提高材料结构与形貌的稳定性，从而优化其作为电极材料的电化学性能，多举措并用以实现钒基微纳米材料用于高性能水系锌电池储能材料。本项目通过形貌调控（包括壳层结构，小空心结构、多孔结构和二维结构的调控），插层离子，缺陷工程以及复合材料构建等举措探索材料结构-性能关系模型，揭示不同微结构与材料电性能之间的作用规律，为先进可充电电池电极材料设计、构建及应用开发提供理论依据。