锂离子电池核壳结构电极材料界面结合性能的键弛豫理论研究

Core-shell structure as electrode material for lithium-ion batteries has greatly improved electrochemical performance of lithium-ion battery. It is very important to quantitative characterize the interface cohesive energy of that materials under different charging status, because the strength of the interface cohesive energy determined directly the lithium-ion batteries performance, which has the vital importance to scientific research and engineering application. . The project aims to provide a new way of characterizing the interface cohesive energy of core-shell structure as electrode material for lithium-ion batteries by the combination of bond order-length-strength mechanism (BOLS) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) from the perspective of physical microscope. We firstly investigate the relationship of bond length and bond strength for that structure of the lithium-ion batteries material under different charging and discharging status, then characterize these materials by XPS to obtain some atomic scale information such as local strain, bond energy, and cohesive energy, etc., and finally establish the theoretical model of interface cohesive energy to clarify the physical mechanism of the interface cohesive energy of core-shell structure for lithium-ion batteries and reveal the trend of the interface cohesive energy with the lithium ion concentration increases. It provides a certain guide to characterize the interface cohesive properties of lithium-ion batteries from theoretical to experimental studies..

核壳结构电极材料很大程度上改善了锂离子电池的电化学性能，其界面结合程度的强弱直接决定了锂离子电池性能的优劣，因此，定量表征不同充放电状态下核壳结构电极材料的界面结合性能对提供锂离子电池电化学性能具有重要的科学研究意义和工程应用价值。. 本项目旨在从物理微观角度，将键弛豫理论和光电子能谱相结合，提出一种表征锂离子电池核壳结构电极材料界面结合能的新方法。首先，从化学键的角度，建立不同充放电状态下核壳结构电极材料体系的键长和键能的函数关系，其次，对这些材料进行光电子能谱表征及分析，获取原子尺度的局域应变、键能和结合能等定量信息，最终建立表征界面结合能的理论模型，揭示并预测界面结合能随锂离子浓度变化的趋势和物理机制，为锂离子电池核壳结构电极材料的界面结合性能研究提供理论和实验依据。

定量表征不同充电状态下核壳结构电极材料的界面结合性能对提供锂离子电池电化学性能具有重要的科学研究意义和工程应用价值。本项目选取了核壳结构电极材料中一种形式合金电极材料作为研究对象，这是因为合金电极材料相对于传统石墨材料，具有高容量高密度等优势，因此成为近年来的研究热点。并且，由于合金材料在锂化过程中会产生较大的体积膨胀，易开裂粉化，活性物质内部丧失电接触，使得电极容量衰减迅速，因此，设计出性能稳定的合金电极结构材料有助于加快该类电极材料的商业化进程。.本项目主要内容和获得的主要结论如下：.(1) 利用BOLS理论与XPS结合法对纯锡的Sn 3d5/2的XPS谱进行了解谱分析，获得Sn 3d5/2的孤立原子能级 =479.29 eV和块体能级偏移量 =5.57 eV。.(2) 利用BOLS理论与XPS结合法对Si/C、Ge/C、Ge/Si三个合金材料异质界面结合性能进行了定量化表征，通过XPS解谱分析，得到Si/C合金界面Si 2p3/2和C 1s的界面能级分别为100.60eV和282.88eV；Ge/C合金界面Ge 3d3/2和C 1s的界面能级分别为30.09eV和283.21eV；Ge/Si合金界面Ge 3d3/2和Si 2p3/2的界面能级分别为28.51eV和100.31eV。最后通过BOLS理论公式分别计算出Si/C、Ge/C、Ge/Si 等合金的界面结合能分别为8.29J/m2、7.39J/m2、10.97J/m2。.(3) 利用BOLS理论与XPS结合法对Cu/Si、Cu/Sn两个电极活性材料与集流体异质界面结合性能进行了定量化表征。从XPS解谱分析可得，Cu/Si合金界面Cu 2p3/2和Si 2p3/2的界面能级分别为932.00 eV和98.46 eV；Cu/Si合金界面Cu 2p3/2和Si 2p3/2的界面能级分别为933.82 eV和485.75 eV。最后通过公式算得Cu/Si合金和Cu/Sn合金界面结合能分别为7.05J/m2和9.94J/m2。.本项目从键弛豫理论和实验两个方面来表征了锂离子电池核壳结构材料的界面结合能。研究表明，这种从物理微观角度出发，键弛豫理论和实验相结合的方法求解核壳结构电极材料界面结合能的方法是正确可行的，为锂离子电池核壳结构电极材料的界面结合性能研究提供理论和实验依据。