《錳基層狀固溶體富鋰化合物的結構與功能》是依託北京大學，由夏定國擔任項目負責人的聯合基金項目。
基本介紹
- 中文名：錳基層狀固溶體富鋰化合物的結構與功能
- 依託單位：北京大學
- 項目負責人：夏定國
- 項目類別：聯合基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
本項目將表面包覆、離子摻雜及顆粒的納米化結合起來，合成核殼型層狀固溶體富鋰化合物複合材料。利用TEY、EXAFS及XANES，結合TEM、電化學阻抗及XPS技術，揭示隨著充放電過程的進行，過渡金屬元素在錳基層狀固溶體富鋰化合物中的遷移擴散以及晶體內部結構的變化情況；循環穩定狀態下的錳基層狀固溶體富鋰化合物過渡金屬原子的局域結構；錳基層狀固溶體富鋰化合物表面修飾層的作用機制；對不同成分的表面修飾層的作用有全面認識，闡明表面修飾層的作用機理，提出一種新體系核殼結構錳基層狀固溶體富鋰化合物製備技術。揭示錳基層狀固溶體富鋰化合物的高容量機制，闡述循環穩定後的錳基層狀固溶體富鋰化合物中金屬原子的局域結構及與電化學性能之間關係。揭示錳基層狀固溶體富鋰化合物的鋰及金屬位共摻雜後的譜學特徵，深刻認識鋰離子在表面修飾層與體相材料之間的界面電荷轉移機制，確立核殼錳基層狀固溶體富鋰化合物倍率性能的影響因素。
結題摘要
鋰離子電池正極材料是制約高比能量密度的鋰離子動力電池發展瓶頸及鋰離子電池產業升級換代的關鍵。本項目將表面修飾、離子摻雜及顆粒的納米化結合起來，合成 核殼型錳基層狀固溶體富鋰化合物複合結構，利用EXAF及XANES，結合TEM、電化學阻抗及XPS技術研究表面修飾層的成分結構；解釋隨著充放電過程的進行，金屬元素在錳基層狀固溶體富鋰化合物中的遷移擴散以及晶體內部結構的變化情況；研究核殼型錳基層狀固溶體富鋰化合物表面幾何結構、電子結構與表面催化、表面擴散的關係；表面修飾層固—固界面、固—液界面如何變化；表面修飾層與錳基層狀固溶體富鋰化合物體相相容性、穩定性、安全性。為長壽命、高能量密度的核殼型錳基層狀固溶體富鋰化合物研發打下堅實的理論基礎。 在研究過程中，我們成功地合成了一種新型類聚陰離子的富鋰錳基層狀材料，並獲得了優異的電化學性能。其中，20 mA/g 下 80 圈循環過後，材料仍然有接近 300 mA h/g 的比容量，容量保持率為 94%；在 60 mA/g 下循環 300 圈，容量保持率仍然有 89%。經過摻雜後，材料的充放電電位和熱穩定性也得到了提升。經過詳細的結構表征和第一性原理計算，我們認為其性能改善的原因主要是硼酸根的存在調製了層狀材料的電子結構，使得 M-O 的共價性降低，O 的 2p 軌道能級降，最終使得 O 的 2p 軌道在高電位下的電子結構變化減弱，極大地提高了層狀材料的穩定性。利用聚陰離子來調製層狀材料的電子結構以獲得更好的電化學性能的方法，對於設計其他穩定的高比容量正極材料有很好的借鑑意義。 另外，我們提出了一種新型的鋰離子電池正極材料包覆方法，可以在顆粒表面形成 LiAlO2-AlPO4 均勻且連續的納米共包覆層，使材料的電化學性能得以顯著提高，且該種方法操作簡便，可套用於大部分核-殼材料的製備中。 此外，我們以Li2RuO3 為實驗模型，系統的研究了其構效關係，並解釋了傳統層狀材料和富鋰結構材料之間的穩定性差異。促進了鋰離子電池中高比容量電極材料的發展。
