摘要
随着对能源材料的不断需求，以锂离子电池为主的储能技术逐渐成熟并且相比于其它电池体系具有广阔的市场应用前景。在锂离子电池中，快速的电子/离子传导和丰富的电子/离子传输通道是提高电化学性能的重要因素。通过设计电极材料微观形貌和调控其结构组成，可以解决充放电过程中电子/离子扩散速率慢、离子传输通道少和体积膨胀等问题，从而提高电化学反应动力学。基于此，本论文以成分调控和结构设计为核心，分别通过熵稳定化策略、插层及空位策略改变电极材料内部的晶体结构和电子结构，构建具有电子/离子混合传导的锂离子电池负极材料，从而实现高比容量、高循环稳定性、长循环寿命以及高倍率性能。本论文详细的研究内容总结如下： （1）过渡金属氧化物具有较高的理论容量和丰富的储量，但由于其导电性能差、固体电解质界面 (SEI) 膜不稳定以及循环稳定性差等因素限制了其在锂离子电池领域的实际应用。利用熵稳定化策略构建具有高电子/离子混合传导的多孔高熵氧化物 (HEO) (Cr0.2Fe0.2Co0.2Ni0.2Zn0.2)3O4负极材料，该多孔纳米材料在热力学上通过增加体系的构型熵，保证了循环过程中晶体构型的稳定，避免颗粒团聚；在动力学上则是利用晶格畸变效应和电子结构的变化来抑制阳离子的短程有序，促进电子/离子的快速迁移。其中，低温下合成的HEO-450电极材料，在1 A/g的电流密度下，经过1000次循环后容量高达1022 mAh/g，即使在30 A/g的超高电流密度下，仍然具有220 mAh/g的容量。这种熵稳定化策略结合多孔纳米结构的设计有效解决了过渡金属氧化物在锂离子脱嵌过程中电子/离子传输通道少、电子/离子扩散速率慢和体积膨胀的问题，从而提高了电化学反应动力学。该熵稳定化策略对构建高性能的锂离子电池负极材料具有重要的参考价值。 （2）过渡金属磷三硫化物是一种结构可调的二维层状材料，具有独特的电子结构以及丰富的化学多样性。本论文利用插层和空位策略构建具有高电子/离子电导率的Cd1-xPS3Li2x薄层纳米片，由于晶体结构和电子结构的改变，使得Cd1-xPS3Li2x材料具有较高的电子/离子混合导电性、较低的反应活化能Ea以及丰富的活性位点，为电子/离子传输提供了丰富的电子/离子扩散通道，提高了电子/离子的迁移速率。作为锂离子电池负极， Cd1-xPS3Li2x电极材料具有超高的循环稳定性和优异的倍率性能。在1 A/g和5 A/g的电流密度下，循环600次后没有明显的容量衰减；即使在8 A/g的电流密度下，其容量可以达到678 mAh/g。这种插层及空位策略使得过渡金属磷三硫化物材料在能量存储和转换领域具有良好的应用前景。
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