高容量、高倍率充放电铁基负极材料2

动力用高容量、高功率铁基负极材料制备和研发

项目介绍

为了解决新能源汽车在续航里程和快速充电上的问题，动力电池的能量密度和高倍率充电性能必须得到提高，而作为动力电池重要组成部分负极材料的能量密度和高倍率充放电性能也必须要满足要求。现在市场常用的负极材料主要有碳类材料、钛酸锂和硅碳材料，碳类材料又分为石墨类负极材料、软碳、硬碳。碳类负极材料中的石墨类负极材料受理论容量（375 mAh/g），和快速充放电过程产生锂枝晶的问题也限制了它在动力电池方面的应用。软碳和硬碳相对石墨类负极材料虽然在能量密度和快充方面都有一定的优势，但是一方面制备工艺复杂，成本高，另一方面在高倍率充电性能方面仍不能满足动力电池的需求（20C下充电容量为140 mAh/g）。钛酸锂负极材料具有快充、安全和长寿命有点，但是能量密度低（理论容量只有175 mAh/g），价格高，且在充放电循环过程中易产生胀气问题，使其在动力电池上的应用受到了极大地限制。作为以高容量（0.1C下，600 mAh/g左右）为特色的硅碳负极材料由于体积效应(膨胀率约为300%)的影响，导致硅负极材料低的可逆容量、差的循环稳定性和倍率性能。所以我们需要迫切开发一种低成本、高能量密度、可快速充电的负极材料来满足新能源汽车动力电池的需求。

本课题现在开发出一种铁基负极材料，制备的原材料丰富，过程工艺成本低，能量密度和高倍率充放电比现在市场已有的负极材料都要高。通过简单的液相法制备前驱体，把前驱体在较低温度下进行烧结。该工艺过程简单，易于实现工业化生产。原材料上我们选择资源比较丰富铁盐和镍盐，有机溶剂也是现在锂电行业常用的有机溶剂，所需的原料均不需要自己二次加工且原材料生产厂家选择多。所需要的生产设备和生产工艺均可参考和使用三元极材料的生产。

项目已有工作

已完成实验室的小批量的制备工艺和申请一项发明专利。该铁基负极材料在纽扣半电池测试中，0.2C下，首次放电比容量达到730 mAh/g，首次充电比容量达到573 mAh/g，首次库伦效率78.4%，在24 C倍率下，其充电克容量和放电克容量分别为164 mAh/g和171.3 mAh/g。该比容量和高倍率性能在都要优于市场已有的负极材料。

图1、铁基负极材料制备实验流程图

0100200300400500600700800

0.00.5

1.0

1.5

2.02.5

3.0

V o l t a g e ( V )Capacity ( mAh/g )

图2.铁基负极材料首次充放电曲线

课题组介绍

项目负责人

郭坤琨，1998年毕业于北京理工大学化工与材料学院； 2002年硕士毕业于中国科学院北京化学研究所；2005年博士毕业于复旦大学高分子科学系，师从于杨玉良院士。先后在德国马克思普朗克胶体与界面研究所和日本京都大学进行长期的访问研究。2009年7月任湖南大学材料科学与工程学院副教授。2014年12月晋升为教授、博士生导师。具有材料、冶金多学科学习研究背景。其团队在2009年以来就开始在电池材料制备和电化学性能方面具有良好的研究积累和较为丰富的理论基础。

社会任职：担任中国材料学会青年委员会理事、国家自然科学基金通讯评审专家、浙江省自然科学基金邀请通讯评审专家等，担任国内外著名期刊的邀请评审专家。

课题组成员

现课题组总共有教授及副教授2人，博士生3人，硕士生3人。今年9月份后1名博士生和1名硕士生进组，所有成员均从事新能源材料方向。

课题组研究方向

1、能源电极材料

2、新型柔性、可拉伸、可穿戴智能能源器件的设计与制备

3、高分子材料计算模拟

4、高分子复合材料

课题组实验室规模

课题组依托湖南大学科研分析检测平台，具有良好的锂离子电池研发条件和完善的分析检测手段，包括表征材料结构与形貌的X -射线衍射仪（XRD ）、扫描电镜（SEM ）、ICP 、TEM 、粒度仪等先进检测仪器手段可供使用，满足电极材料分

析检测要求。课题组配备有共180平方米的专用实验室、计算机机房、办公室。实验室配有材料合成设备：离心机、高压反应釜、马弗炉、气氛炉等，材料性能测试设备：手套箱、蓝电充放电测试仪、电化学工作站、紫外UV分析等

课题组承担项目

1.企事业委托项目：Li-CO2电池中Mo2C催化反应机理剂的第一性原理研究，

2018/9-2019/9，8.0万；

2.国家自然科学基金面上项目，21674034，细菌FtsZ蛋白的组装行为及其在细

胞分裂中的作用机制，2017/01-2020/12，63万元，在研；

3.国家自然科学基金面上项目，21274038，ATP水解机理对肌动蛋白组装成纤

维过程的影响，2013/01-2016/12，82万元，结题；

4.聚合物分子工程国家重点实验室（复旦大学），K2015-07，自发曲率和囊泡内

聚合物浸润转变的关联，2015/01-2015/11，3.0万元，已结题；

5.湖南省优秀硕士论文指导教师奖，2015, 8000元；

6.中钞油墨有限公司，一种紫外光自由基/阳离子双固化树脂的研发，

2014/01-2014/12，10万元，已结题；

7.国家自然科学基金青年项目，21004018，细胞内相分离诱导膜形态转变的机

理研究，2011/01-2013/12，19万元，已结题；

8.日本京都大学FIFC Fellow，2012年，80万日元，已结题；

9.国家自然科学基金理论物理专款，10947177，细胞骨架的增长以及其在细胞

运动中的作用机理，2010/01-2010/12，3万元，已结题；

10.湖南大学青年教师成长计划，细胞内多组分相结构行为的研究，

2009/07 -2014/12，25万元，已结题；

11.高等学校博士学科点专项科研基金，细胞内相分离诱导膜形态的机理研究，

2011/01-2013/12，3.6万元，已结题；

12.留学回国人员科研启动基金，高分子和Janus粒子相互作用研究，2010/06

-2012/06，4.0万元，已结题；

13.北京分子科学国家实验室开放课题，温和条件下高分子和无机粒子自组装原

理研究，2009/10-2011/10，8.0万元，已结题；

14.国家级大学生创新性训练项目，基于耗散粒子动力学的GPU并行运算，2010

-2012，2.0万元，已结题；

15.湖南省大学生创新性训练项目，Android平台材料科学科普类应用程序开发，

2013-2015，2.0万元，已结题；

组内学术成绩

近年发表SCI论文54篇，申请发明专利10篇，编写学术专著1本。