《一維納米矽酸鹽材料的形貌控制合成及嵌脫鋰機理研究》是依託哈爾濱工業大學，由左朋建擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：一維納米矽酸鹽材料的形貌控制合成及嵌脫鋰機理研究
- 依託單位：哈爾濱工業大學
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：左朋建
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
高容量電極材料特別是正極材料的結構設計與合成是獲得高比能量鋰二次電池的關鍵。矽酸鹽正極材料（Li2MSiO4，M=Fe、Mn、Co）由於其較高的理論容量引起了國內外學者的重視。但材料電導率不高、倍率性能差以及循環容量衰減快是目前亟需解決的問題。本項目通過對矽酸鹽材料的量子化學計算研究，掌握材料在嵌脫鋰過程中的相變過程,為高容量、長壽命和良好放電倍率的正極材料的研製提供理論依據，並完善基於密度泛函理論的量子化學計算在電池材料嵌脫鋰機理研究中的方法和理論；藉助AAO模板法獲得形貌可控的Li2MSiO4一維納米材料，研究原位製備一維納米材料電極的工藝參數的改變對結構形貌及電化學性能的影響;確定材料的電化學嵌脫鋰反應機理及其在循環過程中的失效機制,獲得材料電導率、放電倍率以及循環容量性能的改善思路。本項目對於豐富電極過程動力學理論，開發高容量正極材料和新一代高比能量鋰離子電池具有重要的理論意義。
結題摘要
聚陰離子型的矽酸鹽正極材料Li2MSiO4具有較高的理論比容量，是作為安全廉價高性能正極材料的重要選擇之一。本項目通過對矽酸鹽材料的理論和實驗研究，為高容量、長壽命和良好放電倍率的正極材料的研製提供理論和實驗依據。採用水熱法及固相法系統研究了材料及電極的製備參數的改變對結構形貌及電化學性能的影響，獲得了具有良好微觀結構和電化學特性的高性能矽酸鹽納米材料。對固相合成法中燒結溫度和碳含量對材料結構和嵌脫鋰特性的影響進行了系統研究，發現700 ℃燒結、碳含量為8.3%的Li2FeSiO4/C材料具有最優的容量和倍率特性，0.1 C首次放電容量141 mAh/g，1 C首次放電容量為88.6 mAh/g，50次循環後容量保持率在85%以上，表現出良好的循環和倍率特性。系統研究了水熱反應溫度及碳含量對材料結構和電化學嵌脫鋰特性的影響。採用最佳化後的合成條件製備的Li2FeSiO4/C納米複合材料粒徑均一，具有良好的碳包覆結構， Li2FeSiO4/C材料在0.1 C下20次循環後放電容量仍可達到151 mAh/g，1 C下首次放電容量121 mAh/g，30次循環中放電容量維持在約110 mAh/g，2 C首次放電容量90 mAh/g，50次循環後放電容量仍可達93 mAh/g。研究了利用水熱法合成Li2MnSiO4/C材料的結構、形貌，170℃水熱反應8h、瀝青作為包覆碳源前驅體方法製備的Li2MnSiO4/C材料在50℃下首次放電容量可達到172 mAh/g，表現了較好的循環穩定性。另外，還研究了哌啶型離子液體與咪唑型離子液體共混體系電解質在電池中的性能，發現共混體系電解質具有安全性好，熱穩定性高，電化學視窗寬等特點，適量的PP13TFSI型離子液體添加，有效地抑制了咪唑型離子液體在負極表面的分解，常用的正極材料在該體系電解液中都獲得了良好的可逆容量和循環穩定性。開展了未來可與高容量矽酸鹽正極材料兼容的高性能矽負極材料研究，電極表現了較高的充放電容量和電化學循環穩定性。本項目通過材料製備條件最佳化、結構和形貌表征及嵌脫鋰特性分析，獲得微觀形貌良好、性能優異的矽酸鹽正極材料，明晰了材料充放電過程中的結構變化和性能演變歷程，同時研究了一種適合聚陰離子型材料的高安全性複合電解質溶液體系及一種高容量矽負極材料。項目對於開發高容量正極材料和高比能量鋰離子電池具有重要理論和實際意義。
