基于胶体超速离心技术的锂空电池正极纳米梯度结构的设计与合成

As a new generation of battery system, lithium-air battery has attracted much attention, the diffusion of oxygen in air electrodes has been proved to be one of the key factors in design and synthesis of lithium-air electrode. It is believed that the construction of electrode material with nanoscale gradient structure would be an effective way to improve oxygen diffusion rate in lithium-air battery electrodes..In recent years, the construction of gradient structure on nanometer scale has become a new opportunity to develop advanced materials. However, methods for constructing functional gradient materials at nanometer scale are limited. Therefore, the development of new methods which are suitable for constructing the nanoscale gradient structure is of great importance..This project is to develop ultracentrifugation to be a new method for the construction of nanoscale gradient structure. Combined with the analysis of the sedimentation process of multinary colloidal particles via analytical ultracentrifugation, the continuous gradient structure would be constructed in the centrifugal field. Then through the templating strategy, carbon material with continuous gradient pore structure would be obtained and tested as the cathode of lithium air battery.

锂空气电池作为新一代极具潜力的动力电池体系而备受关注，氧在空气电极中的扩散问题已经被证实是锂空气电极设计与合成的关键之一，构建具有纳米梯度结构的电极材料将成为提高锂空气电池电极中氧扩散率的有效途径。.虽然在纳米尺度上构建梯度结构已成为研发新型高性能材料的新机遇，但目前在纳米尺度上构建功能梯度材料的方法十分有限，适合构建纳米梯度结构的新方法亟待深入研究。.本项目拟将超速离心技术作为一种新方法应用于纳米梯度结构的制备中。结合分析超速离心和数值模拟计算表征多元胶体粒子沉降过程，解决离心过程的参数不可控的问题。通过离心力诱导多元胶体粒子自组装构建具有连续性的梯度结构，最终由模板法合成出具有连续性梯度孔结构的碳材料，用作锂空气电池正极。

离心技术一般被认为是一种高效的分离方法，长期以来被广泛应用于生物、医学、化学等领域。离心法除了可按照尺寸和形状的相对值等对纳米粒子进行选分，它还是一种具有极高分辨率的定量分析手段。相比于电场和磁场，由于离心过程涉及的参数繁多复杂且难以控制，离心场极少被用作外场诱导胶体粒子自组装或纳米结构的设计与合成。.本项目结合分析超速离心和数值模拟计算表征多元胶体粒子体系的沉降过程，将所得的体系特征参数应用在制备型离心机中，通过精准的调控，获得了分布性极佳的聚苯乙烯@ZIF-8复合纳米结构。.在构建梯度结构时，我们发现离心实验参数放大过程中的偏差对样品的沉降行为影响较大。分析型离心机中的样品池为扇形结构，可有效规避沉降过程中的对流问题。实验中我们发现当样品在尺寸较大的圆柱形制备型离心管中沉降时，样品的沉降行为发生了改变，溶液的对流效应不可被忽视。.针对此问题，我们开发了一种适用于制备型离心机的可视化检测方法，即仿照分析超速离心机中基于光谱学原理实时监测沉降过程，利用具有近红外热响应性的聚多巴胺作为研究胶体粒子沉降行为的载体。实验和图像分析的结果证明沉降系数可用于预测纳米粒子在制备型离心管中所需的沉降时间。制备型离心管的几何形状影响粒子的沉降行为，具有较大旋转半径、较小内径的离心管有利于重现与分析型样品池中类似的沉降过程。.以上研究成果拓展了离心场在胶体与纳米晶体自组装中的应用，同时也验证了分析超速离心对胶体体系的表征值在普通制备离心过程中的适用性与局限性。

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