[01421610]高容量、高倍率金属氧化物复合材料及其一体化电极的研究与开发

①课题来源与背景 “高容量、高倍率金属氧化物复合材料及其一体化电极的研究与开发”是广州市科技计划项目,项目编号：201804010169;计划类别：科学研究计划;专题名称：一般项目专题;经费额度：20万元。 当今社会,信息、能源和新材料在全球范围内成为重要的发展方向和支柱产业。随着全球气候日益变暖、能源逐渐枯竭、污染日趋加剧等诸多能源与环境问题,人类的生存和发展受到严重的威胁,人们对于新能源的开发和应用的需求越来越大。在这种背景下,风能和太阳能因其绿色环保和可再生性一度成为研究的焦点,但是由于其来源不稳定、不持续,使得实际的应用受到了极大的限制。因此,开发出能量之间可以有效转化和储存的新型设备已成为全世界研究的重点。绿色无污染的新型高能化学电源作为化学能与电能的转化与贮存装置,在社会的各个领域更是得到了广泛的应用。 锂电池作为一种新型的绿色能源转换和储能装置,具有可逆容量高、循环寿命长、质量轻、工作温度范围广等优点,被广泛应用于便携式电子设备、新能源汽车以及大规模的储能工程等领域。负极材料是决定锂离子电池综合性能的重要因素之一,然而目前商业化碳负极材料存在的比容量较低（理论比容量为372 mAh g-1）等问题,使得高容量锂离子电池的发展受到了局限。为了满足这些新兴的大规模的储能应用的需求,对锂电池应用提出来越来越高的要求,因此积极探索新一代基于先进电极材料的高容量、高倍率的锂离子电池显得尤为重要。 ②研究目的与意义 本项目采用泡沫镍修饰和金属氧化物形貌调控相结合的方法,进行了高容量、高倍率金属氧化物复合材料及其一体化电极的研究与开发。选取“高活性MOs”（Fe3O4、Fe2O3、MnO2等）和“低/非活性MOs”（TiO2、ZnO等）为研究对象,研究了金属氧化物及其一体化电极（泡沫镍）的微结构和电化学机理,为设计稳定的材料结构和界面提供了更多有价值的思路。研究结果为今后同类材料的设计提供方法与思路。 ③主要论点与论据 本项目拟针对泡沫镍修饰、金属氧化物复合材料、泡沫镍负载金属氧化物、碳包覆金属氧化物以及碳掺杂金属氧化物等材料进行复合金属氧化物的形貌调控和组织、微结构分析和电化学性能表征,及在三维导电泡沫镍支撑体的负载;研究了该电极的成分、界面微结构与其电化学性能之间的关系;制备碳包覆层,研究了金属氧化物电极在包覆前后电化学过程的差异等的研究,拟采用氮气吸附脱附测试仪分析材料的比表面积和孔径分布情况;采用X射线能谱仪在纳米或微米尺度上确定微区的化学成分及元素含量;采用扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）观察材料的形貌结构,标定晶格常数等技术手段来对材料进行结构的表征。通过进行循环伏安、交流阻抗和充放电等对材料的电化学性能进行测试分析,包括：电极反应的性质、电池内阻、充放电平台、循环性能、倍率性能及寿命等。 ④创见与创新 项目主要围绕泡沫镍前处理和修饰、高容量复合材料、泡沫镍负载高容量复合金属氧化物、碳包覆高容量复合金属氧化物以及拓展研究5个部分进行了深入研究。研究了泡沫镍修饰对电极材料负载后形貌和充放电性能的影响;详细研究了纳米棒、纳米线、立方体、空心立方体、多孔立方体、六面体和八面体等结构对电化学性能的影响;设计并开发了ZnMn2O4纳米棒、ZnO/ZnFe2O4立方体、Mn2O3/TiO2复合材料、分级空心纳米立方体Ni-Co@MoO3/MoS2、CuCo2O4纳米线、ɑ-Fe2O3/TiO2复合材料、ZnFe2O4@C三维八面体结构复合材料、Mn2O3@C复合材料、SiOx/C@CoO、SiO/C/CoO和ZnO/CNTs等高容量、高倍率金属氧化物负极材料。 ⑤社会经济效益,存在的问题 众所周知的是作为新能源纯电动汽车“心脏”的锂离子电池系统,其寿命和续航方面的技术问题并未完全取得突破,阻碍了新能源汽车产业的全面发展。负极材料是锂离子动力电池系统中的重要组成部分,但是商业化碳类负极理论比容量低（石墨理论比容量约372 mAh/g）、倍率性能差、耐过充过放电能力差等问题,其组装电池已远远不能满足当下动力电池的性能要求,因此负极材料对于能否解决动力汽车续航问题起着关键作用。 高容量类金属氧化物负极材料因其优异的储锂性能和较小的体积膨胀率,是动力电池较有潜力的新型负极材料。本项目针对金属氧化物所存在的导电性性差的根本问题,研发出具有自主知识产权的简便、低成本的复合金属氧化物电极材料制备方法。项目成果的应用,将带动动力锂离子电池类及其相关产业的发展,提高我国电动汽车、大型电动工具的国际竞争力。 ⑥历年获奖情况 2018年6月荣获“青远杯”青元高新区创新创业大赛华南师范大学专场学生组决赛“一等奖”。