有序大孔金属硫化物/碳嵌入式结构柔性电极及其储锂性能

The development of flexible lithium-ion batteries (LIBs) is very meaningful for driving the flexibility, miniaturization and portability of the future consumer electronics. However, they suffer from low specific capacity, limited cycle life, weak adhesion force between active materials and current collector, and so forth. To circumvent these obstacles，this project will construct ordered macroporous metal sulfides/carbon incorporated architecture nanohybrids on the surface of carbon fiber cloth, which can develop an impressive flexible electrode with rapid charge/discharge ability and long cycle life by utilizing the synergistic effect between mental sulfides of high energy density and carbon of high power density. Based on the electrostatic self-assembly and the adhesion property of polysaccharides compound under high temperature, the ordered macroporous structure is generated and firmly attached on carbon fiber cloth. Metal sulfides incorporated into carbon framework will be realized by investigating the matching relationship of the decomposition rate of metal sulfide precursor and the carbonization rate of polysaccharide compounds under annealing in inert atmosphere. By combining quantum density functional theory (QDFT) and experiment process, the lithium intercalation/extraction process in the metal sulfide interlamination and the heterointerface with carbon will be clarified. Meanwhile, the corresponding relationship will be established on the electrochemical performances and materials’ microstructure, phase composition, etc. Furthermore, this project combined high-performance active materials, flexibility and integrity design, which will provide a new insight on constructing flexible LIBs.

柔性锂离子电池的开发在推动未来电子器件柔性化、微型化和便携化等方面具有非常重要的意义。但是柔性锂离子电池发展存在比电容量低、循环寿命短以及活性材料与集流体结合不牢固等问题。本项目针对这些问题，提出在柔性碳纤维布基体上构筑有序大孔金属硫化物/碳嵌入式结构复合材料，利用金属硫化物的高比容量特性和碳的高功率特性之间的耦合协同作用，构筑具有快速充放电能力且性能稳定的柔性电极。基于静电自组装和高温下多糖化合物的粘附特性，形成有序大孔结构并与碳纤维布牢固结合。通过研究碳化过程中金属硫化物前驱体分解速率和多糖化合物碳化速率之间的匹配关系，实现金属硫化物嵌入碳骨架。利用量子密度泛函理论计算和实验相结合，阐明锂离子在金属硫化物层间及其与碳异质界面的脱/嵌过程，建立锂脱/嵌过程中电极微结构、相组成等与电化学储锂性能之间的关系。本项目结合了高性能电极材料、柔性和一体化设计，为柔性锂离子电池的设计提供了新的思路。

针对柔性锂离子电池发展过程中面临的比电容量低、循环寿命短以及活性材料与集流体结合不牢固等问题，本项目基于碳纤维布柔性集流体，通过静电自组装和随后的碳化过程控制，在碳纤维布基体上实现了有序大孔金属硫化物/碳嵌入式结构复合材料的构筑，通过改善电子传导和锂离子扩散动力学，制备出具有快速充放电能力且性能稳定的柔性电极。项目具体利用表面修饰和静电作用实现聚苯乙烯球表面吸附金属硫化物前驱体-葡萄糖溶液及其在碳纤维布表面的有序组装；通过精确调控金属硫化物前驱体分解速率和葡萄糖碳化速率之间的匹配关系，实现金属硫化物均匀的嵌入在碳骨架中。项目通过理论计算与实验研究相结合，探讨了金属硫化物/碳嵌入式结构的形成过程和演化规律、深入研究锂离子在金属硫化物层间及其与碳异质界面的脱/嵌过程，阐明了快速脱/嵌锂过程中电极微结构、相组成等与电化学储锂性能之间的内在联系，明确了金属硫化物与碳材料之间的耦合机制，并建立了复合电极材料微结构与电化学储锂性能之间的构效关系。项目执行期间，发表标注有本课题资助的学术刊物论文15篇，包括Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Adv. Func. Mater.、Small、AIChE J.、Chem. Eng. Sci.、Chem. Eng. J.等材料、化学化工主流期刊；申请中国发明专利3项；项目负责人在2018 Conference on Chemistry of Energy Materials、2018 International Seminar on Advanced Materials Research、第五届全国储能科学与技术大会会议等做邀请报告8次。培养了博士研究生3名和硕士研究生3名，其中，5人次获得国家奖学金。项目执行期间，项目负责人获得2017年国家“万人计划”青年拔尖人才、上海高校特聘教授（东方学者）跟踪计划、上海市青年五四奖章，也入选了2018年全球高被引科学家（科睿唯安）。