多级结构MoO3/TiO2纳米复合氧化物设计合成及电化学储能研究

The sustainable, light pollution electrochemical energy storage and conversion devices can effectively solve energy crisis and deterioration of ecological environment as one of core technology. With the development of advanced energy storage and conversion devices (such as Lithium-ion battery and supercapacitor), high requirements of electrode materials are urgent. Metal oxide-based nanocomposites have attracted the attention of many researchers, because individual and traditional materials are limited by their low conductivity and redox kinetics. According to previous study, We design and synthesize various metal oxide/carbon nanocomposites with high capacity and excellent rate performance. To further improve the capacity of metal oxide-based nanocomposites, this application proposes to design and synthesize the hierarchically structured MoO3/TiO2 nanocomposite. Such strategy presents the incorporation of MoO3 as conductive components, which based on lithiated transition metal oxide with both high conductivity and fast Li+ migration rate. The hierarchically structured MoO3/TiO2 nanocomposites are prepared using aerosol-spraying method. The effects of precursor selection and synthesis conditions on hierarchical structure fabrication are illustrated. The research reveals conductive mechanism of oxide during lithium-ion insertion/de-insertion process based on component optimization. To further enhance the capacity, structure stability, safety and reliability of electrode under high current, the atomic layer deposition (ALD) technology can be used to fabricate conformal Al2O3 film coating on MoO3/TiO2 electrode and satisfy the high-rates performance requirements and long-term cycling stability.

可持续、污染轻的电化学储能转化装置是解决能源危机和生态环境恶化最有效的核心技术之一。随着先进储能装置的代表锂离子电池和超级电容器的发展，对电极材料提出了更高的性能要求。由于传统单一电极材料存在诸多问题，金属氧化物基纳米复合材料成为目前研究热点。前期研究中，我们成功设计了不同金属氧化物/碳纳米复合材料，有效提高了储能装置的功率密度和循环寿命。本申请拟在此基础上进一步提高电极容量，引入MoO3作为导电组元，依据锂化过渡金属氧化物具有高导电性和快速的锂离子迁移率的特性，采用喷雾热解法设计合成具有多级结构的MoO3/TiO2纳米复合材料。阐明不同合成条件对构建多级结构的影响机制；优化组元配比，揭示充放电过程中嵌锂氧化物对复合电极导电扩散行为的影响；并尝试采用原子层沉积技术构建Al2O3膜共形的MoO3/TiO2电极，实现电极在大电流下的高容量、长效循环稳定性及安全可靠性。

先进的电化学储能转化器件对目前的电极材料提出了越来越高的性能要求，过渡金属氧化物由于具有多元化的结构能够广泛的应用于根据不同的储能器件(如高性能的锂离子电池和超级电容器)。设计合成具有高容量和高功率的金属氧化物基纳米复合材料，已成为目前的研究热点。本项目设计构建了一系列具有多级结构的介孔氧化物复合材料，该复合材料由具有不同功能组元的过渡金属氧化物构成。这些功能性组元不仅加快了电极动力学从而提高离子传输效率，增强界面和电极的结构稳定性，还能通过不同组元之间的协同效应及性能的相互补偿赋予电极材料新性能。通过优化组元配比、调变晶体结构及形貌等方法可以构建多种纳米复合结构，深入理解不同前驱体和结构导向剂对结构形貌和空隙的影响机制。项目实施期间，我们首次喷雾法制备的MoO3/TiO2复合电极利用ALD技术，在锂电应用中呈现高容量和优异的循环寿命；为了增强复合材料的结构稳定性，首次利用简单的原位生长工艺，成功地合成了多维度高晶介孔的TiO2复合结构，能够提供偏于离子和电子传导的路径，以及丰富的表面活性位点，因而赋予氧化物复合电极材料高容量，高倍率及在适合电压窗口下的超长循环稳定性。此外，还基于生物材料结构的启发和嵌锂LiMoO3的高导电性，首次设计合成了一种具有混合质子-电子的导体含水氧化钨材料，具有快速充放电倍率，可应用于超级电容器中呈现超长的循环寿命(五万次循环，容量几乎无衰减)。我们希望这些工作所提供的策略能够延伸进更多类型、结构组成可控的过渡金属氧化物复合结构的设计理念，将来构建具有高能量密度、高功率密度和长循环寿命的电化学储能转化装置开辟一个新的方向。该项目通过实施，本人负责项目的设计、具体实施和论文的撰写已在Chem. Commun.、Nano Energy和Nano Letter等国际主流有影响的学术刊物上发表了相关工作4篇学术论文，其中SCI收录4篇。