锂离子电池用碳-氧化铁@导电聚合物分级复合管状阵列的构建及电化学性能研究

针对锂离子电池传统氧化铁负极材料电导率较低、锂离子扩散缓慢及SEI膜较厚且不稳定等关键问题，本项目提出以低温液相法直接生长在泡沫镍上的ZnO纳米线阵列作为廉价原位牺牲模板，设计碳、导电聚合物与氧化铁分别在纳米（10 nm以内）和亚微米（几百nm）双尺度下复合的管状阵列负极结构；此结构最大程度上结合了有序纳米多孔阵列和碳、导电聚合物材料的优势，有望实现多尺度下电子和锂离子在固相中及固相/电解液界面运输的综合提高,同时改善SEI膜质量，减缓管状结构膨胀，提高电极稳定性。通过控制ZnO纳米线阵列厚度（15-30微米可控）、铁盐及碳前驱物浓度、聚合条件等参数，结合三维多孔泡沫镍电极的使用，重点调控管状阵列厚度（负载量）、管径及纳米碳和导电聚合物层的特性等，研究结构与电化学性能关系、反应动力学及相关物理化学规律，为寻找新型高比容量、长循环寿命和高倍率性能的锂电池负极材料提供科学依据。

为了提高氧化铁负极材料的电化学性能，从提高其导电率、离子扩散速率和缓解电化学反应过程中体积膨胀等角度考虑，本项目设计了以碳和导电聚合物包覆氧化铁多孔纳米阵列的电极结构，从最大程度上结合了碳、导电聚合物以及阵列结构的优势，详细研究了复合电极的性能。具体完成的研究内容及结果包括：（1）成功实现了ZnO纳米线阵列模板的可控生长（7-30微米长度可控），并研究了生长机理及影响生长的关键因素，获得了直径均匀、疏密度合适及结合力牢固的阵列；（2）以上述ZnO纳米阵列作为牺牲模板成功制备了α-Fe2O3@C纳米管复合阵列（仅纳米尺度复合）以及α-Fe2O3@SnO2纳米管复合阵列等特征电极，找出了影响性能的关键结构参数；（3）系统研究了碳和导电聚合物包覆氧化铁纳米阵列（分级复合）的制备和性能，研究了结构-性能关系及电极过程动力学，分析了电化学反应机理，阐述了分级复合“一体化”的优势。此外，本项目还研究了氧化铁阵列电极储能机理，提出了模型并进行了实验数据分析计算；设计了导电聚合物PPy包覆其他氧化物电极（如氧化钴），获得了超高的面积/质量比容量（~2200 F/g，4.4 F/cm2）、高的能量/功率密度以及超长循环寿命（20000次）。本项目的研究为新型高比容量、长循环寿命和高倍率性能的氧化物锂电负极材料的设计提供了科学依据，也对设计制备具有连续离子扩散和电子传输的氧化物赝电容电极提供了新的思路。项目执行3年，高质量完成研究目标和预期结果，受邀撰写书籍章节一篇（World Scientific Publishing）；共发表SCI论文15篇，其中顶级期刊2篇（Nano Letters, 2013, 13, 2078; Advanced Materials, 2012, 24, 5166），影响因子大于4的10篇，两篇论文入选ESI全球0.1 %热点论文，1篇论文入选“2013年中国百篇最具影响力国际学术论文”，申请中国发明专利2项，获得奖励4次，项目负责人在国际和国内学术会议上和国内其他科研单位作邀请报告14次，担任“2014中国功能材料科技与产业高层论坛”的“新能源材料”分会主席1次。培养硕士研究生5名，其中两名由于优异成绩直博。