《高性能鋰離子電池電極材料結構穩定性及相變機理研究》是依託電子科技大學,由王治國擔任醒目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：高性能鋰離子電池電極材料結構穩定性及相變機理研究
- 依託單位：電子科技大學
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：王治國
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
鋰離子電池作為一種新型綠色安全儲能裝置已占領了絕大部分攜帶型電子產品市場，但尚不能滿足電動汽車和航空航天等高新科技產業對高性能大容量二次電池的需求。作為鋰離子電池核心的電極材料必須具有高的電子和鋰離子輸運能力，同時在脫鋰/嵌鋰過程中也應具有較高的結構穩定性。但是目前使用的電極材料在電循環過程中易發生相變，導致儲能特性的下降。本項目擬採用計算機模擬方法結合先進的實驗技術從原子結構層次上模擬高性能電池電極材料電化學過程中脫、嵌鋰的微觀過程，研究電化學誘導非晶化、多晶化以及亞穩態晶體的形成規律，揭示電化學誘導相變導致結構失穩的微觀機理。本項目將通過研究電極材料的成分-結構-性能之間的關係，建立相應的電化學反應動力學模型，同時研究電子輸運對鋰離子輸運的影響，為相關實驗研究提供理論支持。本項目可為新型高性能電極材料的設計進行指導，在開發高容量電極材料和新一代高比能量鋰離子電池方面具有重要的科學意義。
結題摘要
鋰離子電池作為最成功的儲能裝置，已經占領了攜帶型電器市場。與此同時電動汽車、人造衛星和儲能電站等領域對電池的儲能量和壽命提出更高的要求，這使得新型高性能鋰離子電池的相關研究成為當今材料科學研究的熱點。作為鋰離子電池核心的電極材料要求具有高的電子和鋰離子輸運能力，同時在使用過程中具有較高的結構穩定性，以保證電池的安全性。本項目採用計算機模擬技術及先進的實驗技術分析了電極材料脫鋰/嵌鋰的微觀原子過程,揭示了其內在機制。(1)建立了鋰離子電池負極材料嵌鋰過程的電化學反應模型；該模型已被電子全息實驗技術得到證實。利用該模型揭示了晶體Si在電化學鋰化過程中形成非晶Li-Si合金的科學謎底；利用該模型揭示了電子轉移誘導結構相變機理；利用該模型揭示了電子摻雜誘導電極材料力學性質下降的微觀機理。(2)設計了電場增強鋰鋰離子擴散方案，針對Si等高容量負極材料體積膨脹導致電化學性能下降的缺陷，提出壓電材料/Si複合材料作為電極材料提升其電化學特性；解釋了自充電鋰離子電池的自充電微觀機理。(3)提出利用缺陷及摻雜增強Li/Na離子在二維電極材料上的吸附方法。(4)研究發現表面和界面對離子輸運具有重要的影響，LiFePO4/LiMnPO4界面可以增強沿界面擴散能力；發現表面到次表面擴散出現速率被限制的情況，因此表面改性對於提高二離子電池電極材料的電化學行為極為必要。(5)研究發現富Li層狀Mn基正極材料中富Li及富Mn是造成Ni表面偏析的原因，Al摻雜可以抑制Ni表面偏析。研究發現在尖晶石結構LiNi0.5Mn1.5O4 正極材料中O空位助於Ni和Mn離子從八面體向四面體位置遷移，因此O空位是影響LiNi0.5Mn1.5O4 正極材料電化學性能的關鍵。綜上所述，本項目系統研究了鋰離子電池電極材料在脫鋰/嵌鋰的微觀原子過程及其主要影響因素，建立了相應的電化學反應動力學模型，揭示了成分-結構-性能之間的內在關係。該結果對於理解電化學反應與常規化學的區別具有重要科學意義，對設計高倍率安全性電極材料具有重要的指導意義。
