[00131732]高导电网络的硅锗锡基石墨烯复合材料设计及高效储锂/钠性能研究

负极材料作为锂离子电池和钠离子电池的重要组成部分,其性能的提升对整个锂离子电池性能的改进起着关键作用。然而目前商品化的石墨化碳,其理论比容量仅为 372 mAh/g,远不能满足当前高能耗领域的应用需求,故设计和开发一种高比功率和高比能量的锂离子电池负极材料是当前所亟需。合金型硅、锗、锡单质,由于它们具有高的质量和体积比容量,而且还具有适中的脱锂/钠电位,故在充放电过程中不易形成锂/钠枝晶,从而提高了电池的安全性能,被认为是下一代高性能锂/钠离子电池负极材料。但是,这些负极材料在锂/钠离子嵌入或脱出过程中,它们会发生巨大的体积变化,由此导致活性材料严重粉化和剥落,造成不可逆容量大以及循环稳定性差。故设计和开发高比容量、高稳定的硅、锡基负极材料是当前迫切所需。本技术开发了以多孔聚合物为碳前驱体,通过引入催化石墨化的金属源和造孔剂,经高温热处理,同步碳化、石墨化和造孔的方法,开发出了高电导网络的立体构造石墨烯材料。以该立体构造石墨烯为载体,通过一系列技术开发出了锡基石墨烯复合负极材料。另外,通过采用电极材料致密化等技术,开发出了高度致密的锡基石墨烯复合负极材料。该负极的压实密度可高达3.5 g/cm3。将其应用于锂和钠离子的储存,实现了高体积比容量和长循环寿命的负极材料。此外,以少量石墨烯和商业硅的特殊处理技术,开发出了高度致密的石墨烯包覆硅的复合负极材料,该负极的压实密度可高达2.1 g/cm3。 本技术开发的高导电网络的硅和锡基石墨烯复合负极材料,与目前商用的石墨负极相比,具有更高的比容量和稳定性以及更具安全性,尤其开发出的高度致密的锡基复合负极材料,实现了高达850 mAh/g的比容量和1500圈的长循环稳定性,并且在锂离子全电池中也呈现出高稳定的比容量。因此,势必使得开发的锂离子电池和钠离子电池具有更高的能量密度和功率密度,能够推动锂/钠离子电池负极材料在高端通讯设备、新能源动力汽车、国防用军事装备、太空站的电力能源供应、航天器的动力系统以及兆瓦时级储能系统或大型公交车等高能耗领域实际广泛应用进程以及负极材料的产业升级,势必会带来良好的经济效益和社会效益。 基于以上技术,目前已发表了 SCI 论文 8 篇,申请了发明专利 11 件,其中授权 3件。小批量技术研发度成熟,对于提高锂离子电池的体积能量密度和长循环稳定性具有国际领先优势。