异质合金组元固溶的铁基化合物负极材料及其电化学储锂性能研究

Energy storage batteries with high energy density and long cycle life are urgently expected for important applications in clean energy, electrical vehicle and future microelectronic devices. The performance of batteries significantly depends on the design of advanced electrode materials and structure. Typical anode materials of Li-ion battery including carbon, alloy and compounds, however, each candidate shows insurmountable drawbacks such as low specific capacity, volumetric expansion and low conductivity. This project aims at the development of new doped and alloyed Fe-based compound nanomaterials, realizing the real lattice miscible combination of alloy elements and Fe-based compounds, taking advantage of the multiphase and multi-electron effects on the kinetics of lithium insertion/extraction, exploring new design principles and construction methods of anode materials. The main contents including: controlled fabrication of doped and alloyed Fe-based anode materials, in-situ growth of anode array structure on collected metallic substrates in different size level, tested battery assembly and lithium insertion/extraction properties measurements, understanding the evolution of structure, morphology and constituents during lithium alloyed/de-alloyed processes, and the kinetics for competitive reactions among multi-electrons, ions. The success of this project will lead to transformative advancement in establishing the solid design principle for materials construction-microstructure and Li-ions storage performance, opening new opportunities for advanced electrode materials that applied in Li-ion battery.

清洁能源、电动汽车及未来微电子器件的储能期待高能量密度、长寿命储能电池的研发，储能锂离子电池的优劣显著依赖于电极材料的组成与结构。碳、合金、化合物类材料是典型的储锂负极材料，但其低容量、体积膨胀及低电导率缺点难以克服。项目以多尺度、多相储锂效应，多电子离子混合转移的协同机制为出发点，拟对铁基化合物进行金属、类金属的掺杂与合金化，实现铁基化合物与高容量合金组元的晶格尺度融合，探索新型储锂电池负极材料的设计原理与构筑方法。研究内容包括：掺杂与合金化铁基化合物纳米晶的可控制备，金属型集流体上多尺度微纳阵列结构的生长与组装，实验电池组装与储锂电化学性能测试，表征脱/嵌锂过程中负极材料结构、形貌、成份的变化，揭示多尺度、多电子材料体系中合金原子、离子的竞争反应与输运动力学过程。通过上述研究，确立高性能铁基化合物纳米结构掺杂与合金化工艺-微结构-储锂性能的关联机制，拓展锂离子电池电极材料研究新的思路。

项目在分别考虑了目前两类典型负极材料各自的优缺点基础上，从优势互补的角度出发，提出并设计了此类负极材料纳米结构体系，开展了相关的基础与应用基础研究。负极材料体系聚焦于金属、类金属掺杂与合金化组元（如Si, Ge, Sn, Mn, Ti）、铁基化合物（α-Fe2O3，铁酸盐），实现掺杂及合金化铁基化合物纳米晶的生长与调控，实现在导电铜、石墨烯集流体上的原位生长与结构组装；开展基于此种负极材料电化学活性的测试与评估；重点关注异质材料在纳米及原子尺度下的结构演变与电子/离子混合输运特征。截至项目结题，项目组通过结合水热法实现了一系列元素（Ge/Si，Ge/Ti，Sn，Mn）对氧化铁薄膜的普适性有效掺杂，发现掺杂元素的类型、薄膜基底的结构、薄膜处理方式对氧化铁形貌结构的形成以及载流子浓度大小等均具有重要的影响。上述研究，确立了高性能铁基化合物纳米结构掺杂与合金化工艺-微结构-电学性能的关联机制。同时，项目组在总结LAL法制备纳米材料的生长机制及其在催化领域进展的基础上，探索了石墨烯基底上电极结构的构筑以及激光作用下的合金化。项目的顺利进行，为相关科研人员的材料设计制备分析提供了新的思路，从而激发更深入的材料形貌多样性调控研究，推动液相激光熔蚀技术辅助合成纳米材料领域的发展。