储能材料与器件研究所

南昌大学光伏研究院下设储能材料与器件研究所，目前主要集中于锂离子电池与材料的研究。锂离子电池由于具有高输出电压，高比容量，高安全性等优点，广泛用于电脑、手机等便携式电子产品中，并逐渐成为动力与储能的主导电源。本所主要研究方向包括锂离子电池正负极材料的制备与改性；新型快离子导体材料的结构设计与可控合成；高倍率性能电解液的制备与改性；全固态锂离子电池的结构设计与性能优化等。具体研究内容如下：

1高倍率性能磷酸铁锂正极材料制备与性能改善 （汤昊 胡友根 谌伟庆）

  橄榄石型的磷酸铁锂（LiFePO₄）以其绿色环保，超长的循环寿命以及极好的安全性等特点成为锂离子动力电池最有潜力的正极材料之一，然而LiFePO4在充放电过程中的电导率低和锂离子扩散率低的固有缺陷不利于材料倍率性能的发挥，这极大地限制了LiFePO₄的电化学性能，阻碍了其在商业化电池特别是在动力电池中的应用。另一方面，目前磷酸铁锂正极材料生产技术主要采用高温固相法合成，合成的时间长，能耗大，并且产物粒径不易控制, 分布不均匀, 形貌也不规则，这也严重影响了磷酸铁锂的充放电性能特别是大电流充放电性能，使磷酸铁锂正极材料的生产规模与品质远远跟不上市场发展的需求。

我们发展了溶剂热反应法，通过加入CO小分子做模板，将一维单个纳米颗粒LiFePO4构筑成三维有序分级空心海胆结构，并研究其表面形貌、孔径大小等结构特性与材料的电化学性能之间的关系，探讨在充放电过程中LiFePO₄的结构变化规律和破坏机理。这一创新的合成方法操作简单，能耗低，易于大规模生产，三维有序分级空心结构的构造可以大幅提高LiFePO₄的电子电导率与锂离子扩散速率，通入气体也有利于反应均匀，这一尝试有望改善LiFePO₄倍率容量低和粉末颗粒一致性差的缺点，为LiFePO₄正极材料规模生产与性能改善提供研究基础。

海胆状纳米磷酸铁锂的扫描电镜图 

2 纳米金属氧化物负极材料的常温溶剂法制备及储锂性能研究（汤昊 刘浩文）

       以金属氧化物取代碳负极，提高锂二次电池的容量，是目前的一个研究热点。但脱嵌锂过程中金属氧化物晶体体积膨胀收缩大，容量衰减快。我们设计了制备纳米金属氧化物SnO₂、NiO、Fe₂O₃等的新路线，在常温下将上述金属盐加入无机/有机的混合溶剂中，通过调控搅拌速率、反应时间、阴、阳离子和溶剂的种类，获得不同形貌的纳米金属氧化物。前期研究发现，阴、阳离子是影响产物形貌的关键因素之一。在此基础上，采用XRD、SEM、TEM和XPS表征产物形貌和结构，系统考察阴、阳离子和混合溶剂的作用机制，阐释异相生成新晶核的共性，为合成其他系列的金属氧化物提供参考，揭示纳米晶自组装的差异性，实现金属氧化物的可控制备；并结合循环伏安、交流阻抗和充放电测试等研究产物在储锂过程中的体积变化效应、表面活性效应、电化学团聚、锂离子和电子的脱嵌动力学，探讨组成，结构和性能之间的关系，为锂动力电池的发展提供研究基础。

单晶纳米球SnO₂的扫描电镜图

3 硅片线锯屑制备高性能硅-碳复合负极材料（汤昊 胡友根 谌伟庆 李能）
    硅由于具有较高的理论比容量和较低的嵌锂电位而引起广泛关注。Li和Si可形成合金Li_4.4Si，理论比容量高达4200mAh/g ，但是硅在与锂合金化的过程中会产生很大的体积效应(高达400%)，导致电极结构的崩塌和活性材料的剥落，使电极材料失去电接触，造成容量迅速衰减，加之硅的导电性差，严重阻碍了纯相硅作为锂离子电池负极材料的实用化。硅一碳复合负极材料中硅作为活性物质，提供储锂容量; 碳作为分散基体，缓冲硅颗粒嵌脱锂时的体积变化，保持电极结构的完整性，并维持电极内部电接触。因此硅一碳复合材料综合了两者的优点，表现出高的比容量和较长的循环寿命，有望代替石墨成我新一代锂离子电池负极材料。硅碳复合材料中的硅原料一般采用金属硅作为原料研磨而成，不但成本高，而且因为金属硅的粒度较大需要研磨时间长，因此寻找成本低廉且粒度较细的硅原料也成为大规模生产硅负极材料所急需解决的一个问题。在半导体工业及太阳能电池行业, 都需要将高纯的晶体硅切割成硅片。 在切割过程中, 从理论上计算会有4 4 % 的晶体硅被切磨为高纯硅粉进入到了切割料浆中, 而实际加工过程中会有高达 50 % ~ 52 % 的晶体硅以硅粉的形式损失掉了。不论是用于电子级的单晶硅还是用于太阳能级的多晶硅都需要通过大量的能耗和高昂的成本制得。如果能将废料浆中的高纯硅和碳化硅进行综合回收利用, 将会减少环境污染, 提高资源的利用率。

我们通过砂浆线锯切割硅片回收技术，将产生的切割废料浆经过一系列处理得到纳米级硅，然后与碳纳米管复合制备硅-碳复合负极材料。采用XRD、SEM、TEM和XPS表征产物形貌和结构，结合循环伏安、交流阻抗和充放电测试等研究材料在储锂过程中的体积变化效应与性能影响因素。

回收提纯硅片锯屑粉的扫描电镜图

 4 其它研究工作

   包括三元类正极材料的表面改性与产业化、非金属集流体电极的制备及其在锂离子电池中的应用、新型快离子导体材料的结构设计与可控合成、高倍率性能电解液的制备与改性、全固态锂离子电池的结构设计与性能优化等，这些项目已处于调研与筹备阶段。