高容量核壳结构纳米硅基锂电负极材料的分子设计及性能研究

本项目采用分子设计和实验制备相结合的方法，研究核壳结构的Si（Me）/C复合负极材料的嵌脱锂机理与电化学性能。理论部分应用第一性原理分子设计模拟在硅表面进行修饰的过渡金属盐类或亲油系非极性分子的表面活性能、表面电子结构等物理性能，从而优化筛选得到合适的表面修饰层物质，以利于改善后续的碳包覆致密性、均匀性和稳定性。实验部分首先分别使用超细球磨和化学合成法制备纳米硅粉体；然后对硅粉体进行表面修饰形成修饰层；接着运用CVD沉积得到疏松结构的表面碳过渡层；最后采用有机碳包覆制备得到具有较高稳定结构的纳米Si（Me）/C核壳材料。本项目重点研究利用分子设计模拟技术筛选表面修饰物质，并实现修饰物质与碳对纳米硅的有效包覆，研究锂离子在核壳结构层中的输运机理，克服硅材料循环稳定性差的根本性难题，为迄今具有最高理论嵌锂容量的硅负极材料的应用奠定理论基础和技术途径。

锂离子电池因具有比能量高、自放电小、循环寿命长、重量轻和绿色环保等优点，而在移动电子设备、电动汽车和智能电网等众多领域有广泛而极为重要的应用前景。电极材料是决定锂离子电池综合性能优劣的关键因素。对于负极材料来说，目前商业化的碳负极材料已接近达到其理论极限容量（372mAh/g），这严重限制了高容量型锂离子电池的进一步发展。另外，碳负极电位与金属锂的电位十分接近，过充时会引起锂的沉积，严重时甚至会引起起火爆炸。而锂离子电池用纳米硅基负极材料具有超高放电比容量（理论值4200mAh/g）、低成本和高安全性等特点。因此，碳负极材料的这些缺点以及对高容量，高安全性锂离子电池的需求激发起人们对新型硅基负极材料的研究。,本项目采用了第一性原理分子设计和实验研究相结合的方法，研究了硅碳复合电极材料的嵌脱锂机理与电化学性能。理论部分应用第一性原理分子设计模拟了纳米硅表面的吸附特性，纳米硅表面活性能/表面电子结构等物理性能。实验部分首先采用超细纳米湿法研磨和化学沉积法制备了纳米硅，然后对纳米硅进行表面分散处理，运用CVD沉积得到酥松铰链结构的CNTs@CNFs，相比于纯硅作为负极材料，其循环稳定性得到了提高。最后运用喷雾干燥法制备具有较高稳定性硅碳核壳结构的石墨/硅-有机碳复合物，当作为电极材料时，首次比容量接近723.8 mAh/g,在电流密度为100 mA/g，循环100周后，比容量仍有600 mAh/g，这是石墨的两倍。项目完成时在J.Power Sources, New J. Chemistry., Electrochem. Acta, RSC Adv. J.Solid State Chemistry.等知名期刊发表多篇高水平研究论文。项目重点解决了硅基负极材料存在的首次效率低和循环性能差的问题。本项目的实施对硅基新型负极材料的开发和商业化应用提供了科学基础与技术途径。