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高容量Ni-LDH负极材料储锂性能的多角度协同优化与机理研究

批准号:
22065010
项目类别:
地区科学基金项目
资助金额:
40.0 万元
负责人:
李延伟
依托单位:
学科分类:
电能源化学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
李延伟

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
层状氢氧化镍(Ni-LDH)具有储锂容量高(1735 mAh/g)、制备成本低、资源丰富等优点,是一种很有应用前景的锂离子电池新型负极材料。然而,Ni-LDH差的循环性能和不良的倍率性能严重制约了其发展和应用。针对以上问题,本项目从与N-rGO原位复合和板层/插层组成结构调控等角度协同优化Ni-LDH的储锂性能:①制备Ni-LDH/N-rGO纳米复合材料,通过与N-rGO复合提高材料的倍率性能;②在Ni-LDH板层中引入具有不同功能的金属阳离子,改善Ni-LDH的储锂活性和相转化反应动力学;③在Ni-LDH层间构筑具有柔性骨架的有机阴离子柱撑,缓冲Ni-LHD在充放电过程中的体积效应,强化储锂反应动力学,提高Ni-LDH的长循环性能。项目研究对深入理解Ni-LDH材料的储锂电化学性能机理和构效关系具有重要意义,对其他具有类似层状结构的功能材料的结构调控和性能优化也具有积极的借鉴意义。
英文摘要
Layered nickel hydroxide (Ni-LDH) is a very promising novel high-performance anode material for lithium-ion batteries, as it offers the essential advantage of high capacity (~1735 mAh/g), low preparation cost, and abundance. However, the bad cycling stability and poor electrical conductivity severely hampers its development and practical application. In view of the above problems, the following investigations will be carried out in this project: ①Boost the high rate capability of Ni-LDH by fabricating Ni-LDH/N-rGO nanocomposite; ②Improve the lithium storage activity and accelerate the mechanics of conversion reaction of Ni-LDH by introducing alien metal cations with different function in the LHD slab; ③Enhance the cycling stability and lithium storage kinetics of Ni-LDH by constructing flexible organic anion pillars in the interlayer space of LHD. The investigations of this project have vital significance for the in-depth understanding of the lithium storage properties, mechanism, and structure/performance relationship of Ni-LDH, which is helpful the structural design and performance optimization of other functional materials with similar layered structure.
层状镍基氢氧化物(Ni-LDH)具有理论比容量高(~1700 mAh/g)、容易制备、资源丰富等优点,是一种非常有应用前景的锂离子电池新型负极材料。然而,然而,Ni-LDH材料自身电子导电性低,充放电过程中伴随显著的体积效应,导致其倍率性能差,循环过程中比容量快速衰减,进而严重制约了其发展和应用。针对以上问题,本项目通过原位构建N掺杂石墨烯(N-rGO)复合纳米结构提升Ni-LDH的导电性和反应活性,通过板层金属组分调控优化Ni-LDH的电化学反应活性和转化动力学,通过对Ni-LDH的插层空间及组成设计调控提升其反应动力学和循环稳定性。取得的重要结果有:(1)成功制备了Ni-LDH/N-rGO原位复合材料,在该材料中Ni-LDH纳米棒被均匀生长到N-rGO表面。得益于Ni-LDH纳米颗粒与N-rGO之间具有强的界面耦合作用,加上N-rGO所形成的导电网络,该复合纳米结构显著提升了Ni-LDH的循环稳定性和倍率性能。例如在2.0 A g-1电流密度下,Ni-LDH/N-rGO复合材料经过500次循环其可逆比容量稳定在791 mAh g-1,而纯Ni-LDH材料仅经过10次循环其比容量急剧衰减至187 mAh g-1。(2)制备了不同金属离子(M=Fe2+、Zn2+、Co3+、Al3+、Sn4+等)掺杂的M/Ni-LDH材料,发现Zn/Ni-LDH具有相对较好的电化学性能。Zn2+的引入不仅促进了电子向Ni2+的转移,还有利于形成更加开放的微/纳分级形貌,这在一定程度上提高了Ni-LDH材料的储锂电化学反应动力学和循环性能。(3)设计制备了有机离子插层的Ni-LDH电极材料,发现有机离子插层可有效拓宽材料的层间距,提升材料的反应动力学和循环稳定性。其中十二烷基硫酸根阴离子插层可将Zn/Ni-LDH材料的层间距由最初的~9.0 Å拓宽至~30 Å,对材料循环性能的提升作用最为显著。此外,还制备了丙三醇插层的Ni-LDH材料,得益于丙三醇分子中羟基与锂离子之间的配位作用和材料拓宽的层间距,该丙三醇插层的Ni-LDH材料表现出出色的长循环稳定性。项目研究对深入理解Ni-LDH材料的储锂电化学性能机理和构/效关系具有重要意义,为Ni-LDH材料的结构调控和储锂电化学性能优化提供了新思路和新途径,对其他具有类似层状结构电极材料的结构计和性能优化也具有积极的借鉴意义。
插层结构调控对双层V2O5储钠性能的影响及机理研究
  • 批准号:
    51664012
  • 项目类别:
    地区科学基金项目
  • 资助金额:
    40.0万元
  • 批准年份:
    2016
  • 负责人:
    李延伟
  • 依托单位:
纳米Ni/Al-LDH/Graphene原位复合电极材料的制备、性能调控及机理研究
  • 批准号:
    21263003
  • 项目类别:
    地区科学基金项目
  • 资助金额:
    52.0万元
  • 批准年份:
    2012
  • 负责人:
    李延伟
  • 依托单位:
阴极诱导沉积法制备纳米多孔V2O5电极材料及其掺杂改性与机理研究
  • 批准号:
    51204061
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万元
  • 批准年份:
    2012
  • 负责人:
    李延伟
  • 依托单位:
国内基金
海外基金