《高比能鋰離子電池正極材料及界面電化學行為研究》是依託北京理工大學，由穆道斌擔任項目負責人的聯合基金項目。
基本介紹
- 中文名：高比能鋰離子電池正極材料及界面電化學行為研究
- 依託單位：北京理工大學
- 項目負責人：穆道斌
- 項目類別：聯合基金項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
本課題針對高體積能量密度鋰離子電池（不低於440Wh/L）的需求，主要開展高比能Ni-Co-M(M=Mn, Al等)多元氧化物正極材料及界面電化學行為研究。擬通過研究材料顆粒形貌尺寸與振實密度的關係，構建有效改善材料振實密度的級配關係模型。通過理論計算研究活性材料晶體擇優取向、微觀結構與脫嵌鋰特性的關係。利用水熱控制結晶法等調控材料顆粒尺度、形貌、結構等，研究材料的顆粒（一次、二次）控制、可控摻雜等對電極電化學性能的影響。研究大顆粒一次粒子在高電流密度下（200mA/g）界面行為及電極過程動力學。探究材料高電壓下（4.6V）與電解液的界面相容性及表面修飾改性。提出影響材料體積比能量的規律，為材料可控最佳化製備提供理論基礎。研製具有高容量、長壽命、高穩定性的Ni-Co-M正極材料，提升比能量特別是體積比能量，推進高性能正極材料的研究，為套用於高比能鋰離子電池提供基礎和支持。
結題摘要
鋰離子電池廣泛套用於人們的日常生活及國防軍工等領域。目前，對電池能量密度、循環壽命等都提出了更高的要求。而制約鋰離子電池性能提升的主要瓶頸是正極材料，其也是行業內主要的關注點和致力於突破的關鍵材料。 本項目在高鎳NCM三元正極材料的調控研製及構效關係、界面相容性及高電壓特性、調控改性、結構設計構建及級配關係等方面開展了工作。 最佳化控制Ni-Co-Mn三元素之間的比例，利用共沉澱法、水熱法調控NCM622、NCM811、NCM9055等材料的合成工藝，研究一次、二次顆粒形成規律及控制最佳化。研究大顆粒一次粒子NCM622材料及其脫嵌鋰特性。研究材料粒徑、形貌、結構等與電化學性能的關係。研究不同包覆工藝、包覆物包括Li2WO4、Li2SiO3、Li3PO4等對NCM622材料界面調控；研究元素Mo、F對NCM622/811材料的摻雜改性。 製備高鎳NCM622/811/9055等高性能正極材料，NCM9055材料0.2C（1C=200mA/g）下，比容量達到220mAh/g，50周循環容量保持93%；壓實密度大於3.8g/cm3，0.2C（1C=180mA/g）比容量達到211.8 mAh/g，20周容量保持率95.6%；中值電壓達到3.7V以上; 滿足指標要求。最佳化放大工藝，試製公斤級NCM622材料樣品，表現出令人滿意的充放電性能，用於製備軟包鋰離子電池（1.1Ah），滿足高體積能量密度（440Wh/L）要求。 通過材料晶體結構理論模擬和X射線光電子能譜分析、原位及非原位X 射線衍射技術、高分辨透射電鏡分析、電子能量損失譜分析等手段（EELS），解析NCM622材料充放電過程中表面結構組成、體相結構的變化、高截止電壓的影響作用、界面反應機制等；分析包覆層作用機制，有效修飾調控電極界面；利用DFT第一性原理計算及中子衍射分析，解析高鎳NCM811材料中氟摻雜的作用機制，明確F占O位及F摻雜量的影響，深入闡釋材料穩定性與結構的關係。對於選擇摻雜元素、最佳化摻雜量以設計材料摻雜調控，將提供理論指導。這些工作有利於正極材料界面及結構的設計構建，提出有效調控手段，提升綜合性能。 建立振實密度與球形NCM正極材料顆粒粒徑之間級配關係，提出一種有效匹配顆粒尺度以提高材料振實密度的研究方法，對於球形顆粒正極材料的最佳化匹配以提高振實密度具有指導意義。
