[00150046]高性能二次电池的复合电极材料结构设计与协同机理研究

习近平总书记在党的《十九大报告》中指出：“要建设美丽中国,推进能源生产和消费革命,构建清洁低碳、安全高效的能源体系”。为了早日实现这一国家战略发展目标,迫切需要发展清洁、高效的能源存储技术,尤其是电化学储能技术。当前,以二次电池为代表的电化学储能器件在能量密度、循环寿命、安全性、以及大规模储能应用方面遇到了新的挑战。针对这一关键科学问题,本项目从电极材料结构设计的源头入手,发展新的制备和组装方法,探索材料原子/电子结构和表界面特征的调控规律,构筑超越常规锂离子嵌脱反应的可逆电化学反应体系,深入理解电极材料在反应过程中的动力学、结构演变和稳定性的影响因素,阐明电极材料内部和表界面上的载能电荷、离子转移过程和微观反应机制。所取得的代表性学术贡献包括： 创新点一：高能量密度锂离子电池和锂硫电池的关键材料设计与性能优化调控 基于低成本和易于活化的前驱体物质（如MnO、凹凸棒土、CaSi2、小分子硅团簇等）设计和制备了一系列不同形貌、尺寸的硅碳和碳基/无机复合负极材料,有效改善了硅碳和碳基/无机复合负极材料在充放电过程中对巨大体积膨胀的耐受性,实现了高比容量、长循环寿命的高能量密度锂离子电池;针对高比容量锂硫电池内部单质硫导电性差、多硫离子难以锚定的问题,提出了金属有机前驱体歧化热分解和界面限域组装的策略,实现了具有独特的微空腔、分级孔和多核壳结构储硫正极材料的可控制备,有效地抑制了多硫离子的穿梭效应。此外,还设计了具有仿生结构和自愈合功能的新型电池隔膜材料和固态电解质,显著提升了锂硫电池的能量密度、功率和循环性能。 创新点二：基于二价镁离子储能的低成本、长寿命镁离子电池的储镁电极材料设计与开发 设计和制备了多种具有开放式离子通道和丰富Mg2+离子存储位点的正极材料,通过对电子结构和活性位点的优化调控,有效改善了镁离子的可逆存储容量和嵌入/脱出的反应动力学性能,实现了高比容量、长循环寿命、高安全性的可充电镁离子电池和镁/锂杂化电池。如利用钒离子和硫离子连接形成的一维原子链之间的开放通道和较弱的结合力,显著提高了镁离子的扩散速度和镁离子存储位点浓度,有效提升了镁离子电池的比容量、倍率性能和循环寿命,在500 mA g-1的电流密度下循环寿命超过1200圈。 创新点三：面向便携可穿戴应用的柔性电化学储能器件的结构创新设计与机理研究 本项目发展了界面诱导组装策略制备无机/碳基杂化电极材料的新思路,构筑了柔性化、耐弯折的锂硫电池和超级电容器等便携式、可穿戴的电化学储能器件。进一步,构筑了高稳定性全无机钙钛矿光电池和柔性光充电能量纤维,为设计高效、稳定的“光电能源转换与存储一体化”器件提供了崭新的策略。 在成果转化方面,本项目团队与江苏捷峰高科能源材料股份有限公司联合研发了“南大捷峰JF-230纳米复合超容碳材料”,已经通过了国家化学电源产品质量监督检验中心检验和江苏省经信委新技术新产品鉴定,综合指标全面优于同类进口产品,已经实现批量生产和销售,年产量超100吨,年产值2000万元,有助于打破国外垄断,解决碳基储能材料国产化技术的卡脖子问题。