明军课题组:金属氧化物/碳材料及高性能锂离子电池负极材料的应用

wenzi

溶剂热是目前合成及调控金属（氧化物）结构及组分最常用且有效的方法，但是溶剂热过程中化学反应机制/路径与结构形成过程的构效关系鲜有研究。中科院长春应化所的王立民/明军研究员和阿卜杜拉国王科技大学的Husam N. Alshareef教授等在传统的奥斯瓦尔德熟化基础上，详细研究及阐述了溶剂热中熟化和电荷双重的作用机理，创新性的引入了电荷作用，合成了一系列形貌可控、性能独特的金属氧化物/碳复合材料。

       通过该方法，研究者构建了空心构树果状的SnO2-C纳米粒子，其外壳由碳包覆的超小SnO2纳米晶（即SnO2@C）组成。这种结构与传统的空心或核壳粒子结构差异明显，其结构单元SnO2@C纳米晶子不仅能有效缓解体积膨胀，超薄碳层也可极大的提高了转换反应的动力过程。扣式锂电池测试结果显示，SnO2-C纳米粒子具有较高的储锂比容量。在200 和 500 mA/g的电流密度下，SnO2-C纳米粒子能发挥出1225和 955 mAh/g的比容量，同时，大电流下循环500次，容量稳定。在搭配正极三元材料（NCM 622）充电到高压（4.4V）的条件下，也显示了较好的稳定性和倍率性能，展示了金属氧化物在大电流充放电和快充领域的应用前景。该研究成功克服了SnO2电极材料易体积膨胀（合金化和转换反应两种储锂机制共存）、电极粉化以及转换反应动力学差的问题。
       该工作不仅可以构筑SnO2-C中空结构，还可构筑其他结构的氧化物碳复合材料，具有普适性。研究者相信，通过电荷作用，可进一步精细调控复合材料的形貌结构，基于此，可更深刻理解溶剂热的反应机制，为构建高性能功能材料提供新的思路。然而，我们依然要看到氧化物负极存在库伦效率低的问题亟需解决以满足实际应用。中科院长春应化所吴英强副研究员认为，未来高比容量氧化物负极应着重解决首次以及长循环的效率问题，首效通过补锂技术可以得到缓解（正极或负极补锂），但循环过程中低效率 (<99.5%)则严重影响电池的循环寿命，解决该问题的办法包括电极材料设计及电解液优化，如添加功能添加剂等。
       相关论文以“Understanding Ostwald Ripening and Surface Charging Effects in Solvothermally‐Prepared Metal Oxide–Carbon Anodes for High Performance Rechargeable Batteries”为题，在线发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201902194)上 。


       溶剂热法是在水热法的基础上发展起来的，指密闭体系如高压釜内，以有机物或非水溶媒为溶剂，在一定的温度和溶液的自生压力下，原始混合物进行反应的一种合成方法。它与水热反应的不同之处在于所使用的溶剂为有机物而不是水。水热法往往只适用于氧化物功能材料或少数一些对水不敏感的硫属化合物的制备与处理，涉及到一些对水敏感(与水反应、水解、分解或不稳定)的化合物如Ⅲ一V族半导体、碳化物、氟化物、新型磷(砷)酸盐分子筛三维骨架结构材料的制备与处理就不适用，这也就促进了溶剂热法的产生和发展。


        王立民，中科院长春应用化学研究所研究员，博士生导师。研究专长：轻金属和二次电池材料。稀土资源利用国家重点实验室轻金属&电池材料课题组组长。1992年获中国科学院长春应用化学研究所硕士学位；2000年获日本东北大学博士学位，2000至2003年在日本科学技术振兴事业团工作。2004年获得中科院“百人计划”择优支持。兼任中国化学与物理电源行业协会储能应用分会专家委员会委员，江苏省储能战略联盟专家委员。在轻金属合金功能材料、锂离子电池正负极材料研究方面取得新的成果；在ABx型稀土贮氢合金及其应用于宽温镍氢二次电池研制方面取得产业化。在ACS Nano，Chemical Communications, Nanoscale，Journal of Materials Chemistry A等国际期刊发表论文200余篇，获中国发明专利40余项，参加撰写专著3部。