二次碳源調控制備純相LiVPO4F及其儲能機理與電學改性研究

《二次碳源調控制備純相LiVPO4F及其儲能機理與電學改性研究》是依託西安交通大學，由孫孝飛擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：二次碳源調控制備純相LiVPO4F及其儲能機理與電學改性研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：孫孝飛
• 依託單位：西安交通大學

中文摘要

新型聚陰離子LiVPO4F具有結構超穩、電壓較高和比能量大等優點，可作為優秀正極材料LiFePO4的升級換代，以滿足下一代動力鋰離子電池更高的安全和儲能需求。項目針對當前制約LiVPO4F發展的瓶頸問題，在碳熱還原法中引入二次碳源調控抑制雜相產生，優選原料、最佳化工藝，儀器分析（特別是球差電鏡）與電化學驗證相結合，簡單廉價地製備純相LiVPO4F並探討相關合成機制。以此關鍵突破，聯合原位測試與離位表征，系統深入研究其充放電中的儲能機理、結構性能關係以及熱、動力學過程等基礎問題，揭示影響電化性能的關鍵因素。進而有的放矢地進行材料科學設計，實施個性化的高效改性，獲得高安全、高效率、高能量、高功率、長壽命、寬工況、低成本的實用化LiVPO4F，建立二次碳源調控制備和改性LiVPO4F的理論基礎。項目成果有望豐富和發展電池材料理論與技術體系，促進LiVPO4F產業化套用，助推動力電池和電動汽車發展。

結題摘要

全球能源危機和環境污染使先進能源存儲材料與器件研發具有重要的戰略意義和廣闊的市場前景。釩基磷酸鹽結構穩定、比容量大、電壓高、價格低，是一類具有重要理論和套用價值的鋰（鈉）電池正極材料。本項目聚焦制約該類材料發展的關鍵科學問題，系統深入研究了系列材料的結構性能關係，綜合利用二次碳源調控、F結構調控、異質多效摻雜和複合界面構築等技術設計開發了一系列高安全、高性能電池材料。 LiVPO4F被視為動力鋰電池正極LiFePO4的升級換代材料。項目採用二次碳源調控方法有效抑制了其在固相燒結合成過程中其它雜相的產生，成功製備了純相LiVPO4F正極材料。基於純相LiVPO4F，詳細分析了材料的元素組成、微觀結構和電化學熱、動力學過程，驗證了LiVPO4F在充放電過程中Li+沿著一維通道遷移，明確了材料的離子傳輸和電子電導是制約其電學性能的關鍵因素。進而採用多種技術手段，有的放矢地對LiVPO4F進行改性研究，獲得了一系列兼具高安全、高能量、大功率、長壽命的LiVPO4F電池材料，性能指標領先文獻報導。同時，與電池企業緊密合作，率先在國內外開展LiVPO4F的中試生產研究，初步實現了部分高性能LiVPO4F的公斤級、百公斤級中試生產和客戶試用。 釩基磷酸鈉是一系列組分寬廣、性能各異的鈉電池正極家族材料。與LiVPO4F相對應，項目系統研究了Na3V2(PO4)3、NaVPO4F、Na3V2(PO4)2F3等系列材料的結構演化規律，重點探討了F調控對系列家族材料的結構性能影響，分析了F調控對材料結構穩定性、Na+遷移傳輸、電壓平台、比容量和電極動力學過程的改善作用。將二次碳源調控與F調控有機結合，發現了F調控有利於抑制表面包覆碳層中C-O鍵的形成，可顯著提升複合電極材料的電導率與實際電化性能。最後，多管齊下，綜合設計製備了一系列比容量高、充放電速率快、循環穩定的含F釩基磷酸鹽鈉電池正極材料。相關成果奠定了二次碳源調控與F調控技術理論的普適性，對設計和改性其它先進電池材料具有重要的借鑑和推廣價值。