高性能矽酸鐵鋰陰極材料的設計、合成與表征

《高性能矽酸鐵鋰陰極材料的設計、合成與表征》是依託蘇州大學，由倪江鋒擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：高性能矽酸鐵鋰陰極材料的設計、合成與表征
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：倪江鋒
• 依託單位：蘇州大學

項目摘要

研究和開發大容量、高安全、長壽命、低成本的鋰離子電池材料對解決環境污染和能源短缺具有重要的科學意義和實用價值。矽酸鐵鋰作為一種新型的陰極材料，由於其潛在的兩電子轉移反應和高達331mAh/g的理論容量而備受關注。然而，由於Fe4+/Fe3+電對的電位偏高，電化學反應的動力學較慢，其第二個電子轉移所對應的容量難以獲得，導致其實際容量比較低，競爭力不足。本項目旨在設計一種Li、Fe錯位的矽酸鐵鋰固溶體結構，通過改變晶格中Li、Fe原子的數量及分布來調節可反應的Li離子數和電子數，從而最大限度地提高其可逆容量。通過第一性原理計算、結構分析、譜學分析和電化學測試，總結Li、Fe錯位對材料的電子與離子傳輸性能和電壓平台的影響規律，揭示該材料電化學反應的基本機制。本項目的實施不僅可以促進矽酸鐵鋰在商業化電池中的套用，也為新型電極材料的開發提供一條新的思路與途徑。

結題摘要

研究和開發大容量、高安全、長壽命、低成本的鋰離子電池材料對解決環境污染和能源短缺具有重要的科學意義和實用價值。為提高矽酸鐵鋰陰極材料的電化學活性，利用其300 mAh/g以上的理論容量，本項目開展了一系列材料結構設計的研究。項目進展順利，在聚陰離子結構矽酸鹽陰極及相關電池材料的研究上均取得了有價值的研究成果。在矽酸鹽陰極方面，我們發展了一種低溫（～150ºC）水熱技術來製備Li2FeSiO4材料，通過添加少量的結構模板劑（如抗壞血酸），獲得三維多孔的Li2FeSiO4納米材料，該材料具有較高的可逆容量和良好的倍率充放電性能。該工作以封面文章的形式發表在著名期刊Journal of Materials Chemistry A。進一步以共軸結構的CNT@Fe2O3為前驅體，採用溶膠-凝膠法我們製備了多孔的Li2FeSiO4-CNT三維複合電極材料。該複合材料表現出高比容量、優異的循環性能和嵌脫鋰動力學性能，為矽酸鹽電極的進一步研發提供了新思路。相關研究成果發表在Nano Research期刊。有關矽酸鹽陰極的分析綜述成果發表在Advanced Energy Materials和Carbon期刊。有關改變Li/Fe離子錯位率來調控Li2FeSiO4充放電反應機制的工作已經申請了2項發明專利。在磷酸鹽材料方面，通過控制Mg在Li位和Fe位的摻雜，我們發現離子摻雜的位點效應，並探討了其背後的結構原因，該工作發表在Electrochemistry Communications。在其他電池材料方面，我們採用電化學氧化法製備了TiO2、Nb2O5的多孔結構，通過調控氧化物的組成、結構和構造，有效提高多孔電極的比容量、循環性能及倍率性能。該研究成果在材料領域的高水平期刊Advanced Materials發表論文2篇。在此課題的資助下，三年以來一共發表SCI索引論文20篇，申請國家發明專利6項，培養研究生5名。