《富鋰錳基材料顆粒結構設計及“多重-聯動”改性研究》是依託中南大學，由賀振江擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：富鋰錳基材料顆粒結構設計及“多重-聯動”改性研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：賀振江
- 依託單位：中南大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
富鋰錳基材料Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2具有比容量高等優點，但是首次庫倫效率低、電子/鋰離子傳輸能力差及錳溶解等問題制約了該材料的實際套用。本項目針對材料的優缺點，對材料顆粒結構進行設計，得到具有空心球形結構的富鋰錳基材料，再進行表面包覆並利用包覆層與基體材料相互作用得到體相摻雜/表面包覆/預脫鋰“多重-聯動”改性材料。空心球形結構使材料具有較高電子/鋰離子傳輸能力的同時弱化了電解液對其的腐蝕。“多重-聯動”改性可以同時改善材料的首次庫倫效率、晶體結構及錳溶解等問題。通過本項目研究，闡明不同顆粒結構對電化學性能的影響，影響空心結構形成的因素及其影響規律；明晰包覆層與基體材料的相互作用機制，實現“多重-聯動”改性材料的可控制備，並揭示“多重-聯動”改性對材料首次庫倫效率、晶體結構和錳溶解等的影響機制，從而為其他鋰離子電池關鍵材料的開發套用提供新的思路和科學依據。
結題摘要
富鋰錳基正極材料以高達250~300 mAh g-1的放電比容量贏得了極大的關注，但首次庫倫效率低、倍率和循環性能差、安全性能差（析氧）等缺點很大程度上限制了其套用。 本項目針對富鋰錳基正極材料的優缺點，設計併合成了一種具有空心結構的富鋰錳基正極材料Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2。並對具有三種不同形貌結構（空心球形、實心球形及無定形）的富鋰錳基正極材料進行了對比研究。研究發現，空心球形結構的短擴散路徑有利於鋰離子的脫嵌，同時較低的比表面積可以較少電解液對材料的腐蝕，從而有利於富鋰錳基正極材料的電化學性能。此外，通過共沉澱法合成具有不同殼層厚度的空心球形富鋰錳基正極材料，並發現當殼層厚度小於1.8 μm時，空心結構的顆粒容易出現破碎的現象，從而增加材料與電解液的接觸面積。但是進一步增加殼層厚度會增加電子傳導及鋰離子傳輸的路徑，不利於電子/鋰離子的傳輸。 以空心結構材料Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2為基體，採用惰性氧化物ZrO2和含鋰化合物Li2ZrO3對材料表面進行包覆改性，經過適當的熱處理工藝，包覆層中部分Zr元素進入基體材料中形成梯度的體相摻雜，從而達到體相摻雜/表面包覆雙重修飾改性的效果。體相摻雜可以有效抑制充放電過程中晶體結構的變化，表面包覆能夠有效的抑制電解液對材料的侵蝕，從而可以有效地改善富鋰錳基正極材料的電化學性能。 採用不含鋰的Zr氧化物包覆在空心球形富鋰錳基正極材料表面，進一步最佳化熱處理工藝，在實現包覆層中部分Zr元素進入基體材料的同時使得基體材料中部分Li元素脫出與包覆層作用生成Li-Zr-O，即，實現富鋰錳基正極材料的體相摻雜/表面包覆/預脫鋰“多重-聯動”改性。在雙重改性的基礎上進一步實現了預脫鋰，將富鋰錳基正極材料的首次庫倫效率提升到了85%左右。
