含多层次内建电场层状硫化物的构筑及其储放钾离子性能研究

This project will systematically investigate the key fundamental issues in the development of potassium-ion battery materials, explore and summarize the electrochemical reaction mechanism and reaction rules, thus to overcome the key technology bottleneck for the future development. The topics include two main parts, the first one is the design and controllable prepare of layered sulphides electrode materials with hierarchical built-in electric field through crystal engineering surface chemical treatment, the second one is the detail characterization of selected electrode materials, deeply study of their charge transfer mechanism through operando characterizations. Investigation of the electrochemical reaction mechanism and the relationship between material's structure and performance during charge and discharge process. It is supposed to uncover the correlation of preparation condition, material structure, and device performance through analysis of experimental data. They are useful to supply evidences theoretically and experimentally for optimization of high rate potassium ion batteries and promotion of electrochemical energy storage technologies.

本项目拟对应用于钾离子电池的层状硫化物电极材料开展系统研究。提出通过基于材料学晶体工程调控和表面化学处理、现场原位表征等多位一体手段，探索钾离子储放过程中相关电化学反应机理。提高材料比容量及循环稳定性，解决钾枝晶穿透隔膜引起安全性下降等问题。项目研究内容主要涵盖两个部分的工作：1）硫化物电极材料的可控制备及其多层次内建电场的设计构筑，2）优选电极材料的结构分析、传荷机理及其电极过程现场原位表征。拟尝试采用冰晶嵌入膨胀、晶格错配引导等多种手段设计合成层状复合结构纳米硫化物材料。并对合成的材料采用表面限域缺陷构造、内部层间耦合以及二维层复合等方法构建从原子、纳米到微米尺度的多级内建电场从而促进体系间传质传荷效率。这些重要的应用基础研究将为探索钾离子电池负极材料的市场化推进提供重要的理论基础和指导。

项目以层状硫化物负极材料为研究对象，制备了In4SnS8, V5S8, Bi2S3, Cu2S/CuS, MoSe2等氧族元素化合物。基于材料学晶体工程调控和表面化学处理、现场原位表征等多位一体手段，研究了其在钾离子及其他碱金属离子储放过程中相关电化学反应机理。通过多级复合构筑、提高材料比容量及循环稳定性，解决枝晶穿透隔膜导致的容量衰退等问题。项目研究内容涵盖两个部分的工作：1）将体相材料层状化，通过限域缺陷构造、内部层间耦合、多级二维层构筑等方法改性晶体材料，为内建电场构建提供物理化学环境，采用物理减薄、中间体等电点控制及层状基体复合引导等多种手段合成层状复合结构硫化物材料，并对合成的材料引导多级内建电场从而促进体系间传质传荷效率。2）优选电极材料的结构分析、传荷机理及其电极过程现场原位表征。从微观和宏观两个层面设计和合成材料之后，研究了电极充放电过程中化学反应机理（碱金属离子存储过程、传荷过程及电极主体结构材料结构相变过程等）。采用电化学原位表征技术[如同步辐射原位粉末衍射、X射线吸收光谱及原位漫反射红外技术]结合第一性原理研究材料的理论及实际容量、充放电循环过程中的结构变化、离子及电子运输机理及电荷转移机制。通过系列制备及优化后，所制备的V5S8@C复合电极材料应用于钾离子电池负极时，在50mA/g的电流密度下其比容量达到645mAh/g。与此同时，通过空间限域生长的方法，研发出分层级的微纳Ge/C结构负极材料，该材料显示出优异的碱金属离子存储性能，尤其是超长循环稳定性，其在1000 mA/g的电流密度下，循环3000圈后，仍能达到1541.1 mA h/g的可逆比容量。通过开展广泛务实的国内国际合作，相关层状化合物内建电场的研究思路已扩展到锂硫电池，液态金属电池，能量转换材料以及超级电容器等应用之中。在本项目的资助下，已发表SCI论文22篇(其中第一及通讯作者论文12篇)，中文核心期刊论文1篇，培养硕士研究生3名，协助指导硕士6名，指导本科毕业设计论文11名，参加学术会议并作邀请报告2次。本项目的实施与完成为探索锂离子电池替代技术提供了一定的实验依据和理论指导，为钾离子电池负极材料体系的筛选提供了实验依据，加深了层状负极材料中离子扩散过程的认识，为钾离子电池的进一步市场应应用提供了可参考途径。

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