外延纳米结构金属氧化物基锂离子电池负极的制备及锂离子迁移机制研究

Metal oxides are promising anode materials for lithium-ion batteries because of their high theoretical capacities. The performance of the metal oxide-based lithium-ion battery anodes could be enhanced by using nanostructured metal oxides or metal oxide/carbon hybrid materials. The focus of the proposed work is the fabrication (by electrodeposition) of the nanostructured metal oxide-based anode materials for lithium-ion batteries and study on the lithium-ion transport mechanism in the lattices of the metal oxide anodes. The specific topics to be explored are (i) anisotropic lithium ion transport along different lattice directions in the metal oxide anode materials, (ii) electrodeposition of epitaxial CoxFe3-xO4 nanostructured arrays as high-performance anodes for lithium-ion batteries, and (iii) electrodeposition of metal oxide/carbon hybrid anode materials for lithium-ion batteries. A key technological impact of the study on the anisotropic lithium ion transport along different lattice directions in metal oxide anodes is the development of a relationship between the lithium-ion transport processes and the crystal structure of the metal oxide anodes, which could possibly be used to guide the synthesis of the metal oxide materials for lithium-ion batteries. We plan to study this by comparing the performance of the differently oriented epitaxial metal oxide thin films as lithium-ion battery anodes. Modeling software for crystal structures will be used, along with the experimental results, to reveal the mechanism/origin of the anisotropy of the lithium ion transport along different lattice directions in the metal oxides. The research on the electrodeposition of the epitaxial nanostructured arrays of CoxFe3-xO4 should lead to high capacity anodes for lithium-ion batteries. The properties of CoxFe3-xO4 such as lattice parameter and chemical composition will be controlled by the deposition potential, which provides an excellent opportunity for us to systematically study the property-performance relationships of CoxFe3-xO4 as an anode material for lithium-ion batteries. A final technological goal will be to develop a one step electrodeposition method for producing hybrid materials composed of crystalline metal oxide and nanostructured carbon (e.g., Fe3O4/carbon nanoparticles, Fe3O4/carbon nanotubes, and Co3O4/carbon nanowires) for high-performance lithium-ion battery anodes. By using this method, the hybrid materials directly electrodeposited onto the current collectors will be used as anodes for lithium-ion batteries. No annealing or conductive glue is needed in the fabrication processes.

金属氧化物由于其高理论比容量而成为制备锂离子电池负极的热门材料，使用经过纳米尺寸设计和加工的金属氧化物或者金属氧化物基复合材料（如：掺碳）作为锂离子电池负极能极大的提高电池性能。本项目用晶格取向不同的金属氧化物外延膜分别作为电极，系统研究锂离子沿不同晶格取向嵌脱过程的差异对电极性能造成的影响，揭示锂离子迁移过程各向异性的机理，为金属氧化物电极材料的合成提供指导。同时，采用一步电沉积的方法制备晶格取向可控的高性能金属氧化物晶体纳米结构、以及金属氧化物/碳复合材料锂离子电池负极。电沉积方法简单快速、成本低，可方便的控制金属氧化物的晶体结构、化学组成、形貌、生长取向等参数，以便系统研究材料自身性质与其电化学性能之间的关系。并且，制备过程省去了传统电极制备过程中煅烧、粘合剂涂覆等繁琐步骤，用一步反应将目标材料直接制备于集流体上。因此，本项目对锂离子电池电极材料的合成及理论发展都具有重要的意义。

金属氧化物由于其高理论比容量而成为制备锂离子电池负极的热门材料，使用经过纳米尺寸设计和加工的金属氧化物或者金属氧化物基复合材料（如：掺碳）作为锂离子电池负极能极大的提高电池性能。此外，深入研究影响锂离子在金属氧化物电极材料中迁移的因素以及金属氧化物电极材料在充放电过程中的晶体结构和体积变化，对锂离子电池电极材料的设计和性能提高都有指导意义。本项目采用由电沉积法在单晶基体表面制得的生长取向不同的金属氧化物外延膜作为锂离子电池电极，系统的研究了锂离子沿不同晶格取向嵌脱过程中迁移系数的大小差异，揭示了锂离子在金属氧化物晶格中迁移过程各向异性的机理，为金属氧化物电极材料的合成提供了指导。此外，本项目以有序生长的金属氧化物外延膜电化学还原为金属膜的过程为研究对象，探讨了在充放电过程中金属氧化物电极材料的晶体结构和体积变化的趋势和规律。本项目还采用一步电沉积的方法制备了晶格取向、化学组成、形貌等性质可控的几种金属氧化物以及金属氧化物/碳复合电极材料，并深入探讨了沉积条件与沉积的金属氧化物的性质之间的联系。最后，本项目还对得到的金属氧化物电极所展现出的良好的析氧反应催化活性和稳定性做了拓展研究，探讨了电沉积的金属氧化物电极作为析氧催化电极的可行性。电沉积方法简单快速、成本低，可方便的控制金属氧化物的晶体结构、化学组成、形貌、生长取向等参数，以便系统研究材料自身性质与其电化学性能之间的关系。并且，制备过程省去了传统电极制备过程中煅烧、粘合剂涂覆等繁琐步骤，用一步反应将目标材料直接制备于集流体上。总的来说，本项目的研究结果对锂离子电池电极材料的合成及理论发展都具有重要的意义。所制得的金属氧化物电极材料不仅可作为锂离子电池电极材料，还有望作为电催化或光电催化电极材料获得更广泛的应用。