镶嵌型Fe2O3/MCMB材料的原位合成和电极反应机理研究

This study focuses on the loss of the reversible capacity which is brought about by the structure failure during high rate charge/discharge process. Inserted Fe2O3/MCMB (mesocarbon microbeads) anode material is synthesized via surface in situ growth method. The influences of insertion morphology, particle size, and content on the anode electrochemical performance and the SEI structure and composition are investigated in detail. The interaction of charge/discharge condition-electrode structure-reaction mechanism is revealed by characterizing the microstructure of Fe2O3/MCMB and computing based on first-principles. In that case, the stable structure as a precondition for increase of the reversible capacity and the cycle performance is realized. Accordingly, this study is of great significance for developing high-performance anode materials of Li ion batteries.

项目针对纳米氧化铁负极在高倍率充放电过程中由于结构破坏引起可逆容量损失的问题，利用表面原位生长的方法合成镶嵌型Fe2O3/MCMB负极材料，系统研究Fe2O3/MCMB的镶嵌形貌、粒径大小、含量等因素对负极电化学性能及SEI膜结构与组成的影响规律；通过对Fe2O3/MCMB在不同充放电条件下微观结构的表征，结合第一性原理，揭示电极结构-充放电条件-反应机理之间的交互作用，实现在结构稳定的前提下最大限度地提高负极可逆容量与循环性能的目标，对发展高性能锂离子电池负极材料具有重要意义。

新一代锂离子电池面向先进通讯设备和电动汽车等应用领域，亟待研发具有高能量密度、高功率密度、良好的循环稳定性与可靠性的新型电极材料。项目研制出用于负极的镶嵌型氧化铁/中间相炭微球（Fe2O3/MCMBs）复合材料，揭示了Fe2O3/MCMBs电极的储锂机理，并参考Fe2O3/MCMBs体系开发出一系列高性能的MxOy/C电极材料。研究工作取得了以下重要结果：.（1）以中温煤沥青的正己烷提取物为原料，采用热缩聚法合成出粒度可控的中间相炭微球（MCMBs）。提出了镶嵌型Fe2O3/MCMBs材料的原位构筑方法，同步实现MCMBs的表面修饰与离子注入，利用溶胶化铁前驱体改善了Fe2O3纳米晶在MCMBs载体上分散性与相间结合作用，提高了微-纳复合结构在负极工况下的稳定性。 .（2）镶嵌型结构抑制了纳米Fe2O3的团聚效应，提高了电极的循环稳定性。相对于MCMBs，Fe2O3/MCMBs材料的比容量增加了11%，电荷转移阻抗降低了14%，Li+扩散系数提高52%。认清了负极SEI膜成膜机理及其对电极反应的影响，揭示出Li+扩散、合金化等行为与电极材料晶格畸变、缺陷形成过程的交互影响，探索出脱锂过程中铁氧化物的价态变化及产生机理。.（3）以蔗糖为碳源，制备出结构可控的单分散硬质炭球（HCS）载体，采用表面活性剂辅助水热法合成了Fe2O3/HCS负极材料，经过30次循环后，负极的比容量稳定地保持在310mAh/g。采用水热法合成出多孔炭修饰的MnO2纳米棒材料，其放电比容量可达1100mAh/g。.上述研究成果为碳基过渡金属氧化物复合材料的可控合成提供了参考依据，并有力推动此类材料在先进化学电源领域的应用基础研究。