鋰離子電池電極材料性能調控的界面效應研究

《鋰離子電池電極材料性能調控的界面效應研究》是依託天津大學，由劉恩佐擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：鋰離子電池電極材料性能調控的界面效應研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：劉恩佐
• 依託單位：天津大學

項目摘要

富鋰正極材料、橄欖石型正極材料、金屬氧化物負極材料等新型鋰離子電池電極材料具有重要套用潛力，但是其穩定性、循環和倍率性能等需要改進，摻雜和石墨烯包覆是調控其電化學性能的研究熱點；性能調控中，表面、晶界以及石墨烯包覆層與電極材料間界面起著重要作用，但界面對材料電化學性能的微觀作用機制尚不清楚。本項目採用第一性原理計算系統研究富鋰和橄欖石型正極材料、金屬氧化物負極材料的表面、晶界、與石墨烯間界面，以及界面摻雜對體系電化學性能的影響；確立界面的穩定原子構型和電子結構，並結合實驗對不同摻雜和石墨烯包覆材料的電化學測試，探明界面及界面摻雜影響電化學性能的微觀機制，闡明電極材料性能調控的界面效應，並深入理解鋰離子脫嵌過程中氧化還原過程。建立摻雜、石墨烯包覆與電極材料電化學性能間的關係，研究結果對於通過摻雜和包覆，實現界面調控，提高電極材料的電化學性能，設計最佳化新型鋰離子電池電極材料具有重要指導意義。

結題摘要

本項目針對鋰離子電池富鋰正極材料、橄欖石型正極材料和金屬氧化物負極材料，研究電極材料中的界面及其與石墨烯的界面和界面摻雜對體系電化學性能的影響；並結合電池材料的研究進展，擴展研究了金屬硫化物負極材料和普魯士藍正極材料及其儲鋰（鈉）行為。系統研究了石墨烯與電池正極和負極材料組成納米複合電極材料中的界面儲鋰（鈉）效應，分析了鋰（鈉）離子脫嵌過程中體系的穩定性和電子轉移，探明了界面儲能機制，獲得了界面儲能對容量的貢獻，並解釋了石墨烯基複合電極材料的儲能容量高於理論值的原因；闡明了界面結合與界面儲鋰（鈉）協同效應的關係，發現界面中鋰（鈉）原子吸附和擴散的協同增強作用與界面結合密切相關；並對體系導電性能進行了分析。研究了摻雜對界面電子結構和界面結合的影響，探明了摻雜對鋰離子吸附和擴散的影響規律，確立不同摻雜元素的摻雜效應，並提出了通過具有不同摻雜效應的摻雜元素共摻改進體系電化學性能的途徑。研究了富鋰正極材料中相界面和摻雜對體系電化學性能的影響，發現Li2MnO3/LiMO2界面的非對稱性，有利於富鋰材料保持較高平均電壓，有利於材料的穩定性，進而提高材料的容量。摻雜與Li2MnO3相中O電子態的局域化程度相關，可改善富鋰材料的失氧現象和提高材料的容量；通過對富鋰材料表面進行相調控，發現MCNT-尖晶石相雙相網路顯著提高了表界面的電子和離子傳輸速率；將化學吸附法套用於正極材料的表面修飾中，製備得到的富鋰正極材料具有雙殼層表面修飾結構和優秀的高倍率循環性能。以納米複合電極材料中界面和摻雜效應為指導，開展實驗，製備了富含表界面的鋰（鈉）離子電池的電極材料；最佳化了工藝參數，通過複合和摻雜，實現了界面調控，獲得了具有優異電化學性能的鋰（鈉）離子電池電極材料，表明獲得的界面和摻雜效應等微觀機制可指導鋰（鈉）離子電池電極材料的設計和開發。