纳米线电化学储能材料与器件

摘要

减少容量衰减、提高能量密度及倍率性能是当前电化学储能器件发展的国际性难题,研发新型高性能纳米储能材料及其器件是解决这一难题和发展高功率密度、高能量密度及高循环稳定性的下一代动力电池的有效途径之一.纳米线电极材料因具有独特的各向异性、快速的轴向电子传输和径向离子扩散等特性使其在纳米线储能器件的组装、原位表征等方面有着块体材料所不具有的独特优势.本文结合当前最新的研究进展和本课题组的研究工作,介绍了通过设计组装单根纳米线全固态电化学储能器件,结合原位表征技术,揭示了电化学储能器件容量衰减与电极材料电导率降低、结构劣化之间的内在规律.基于该规律,一方面从改善纳米线电极材料本征性能入手,提出并实现了纳米线化学预嵌入、拓扑取代、取向有序化等性能优化策略,显著提高了电极材料的电导率及其电化学储能器件的循环稳定性和倍率特性;另一方面从抑制纳米线电极结构劣化入手,设计构筑了纳米线分级结构和一维自缓冲纳米杂化结构,并对其构筑原理进行了研究,显著增加纳米线的比表面积和电化学活性位点,大幅提高了纳米线储能器件的能量密度、功率密度以及器件可靠性,为纳米线电化学储能器件的发展和应用奠定基础.