《高能量密度、多鋰離子嵌脫的矽酸鹽正極材料系統研究》是依託武漢大學，由張友祥擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：高能量密度、多鋰離子嵌脫的矽酸鹽正極材料系統研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：張友祥
- 依託單位：武漢大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
作為新型電動汽車的動力電池，鋰離子電池的重要性日益明顯。由於單個分子中存在兩個鋰離子，矽酸鹽正極材料的理論比容量為磷酸鹽的理論比容量的兩倍。但長期以來，單個矽酸鹽分子中穩定地嵌脫多個鋰離子的願望一直沒能實現。最近申請人在新合成出來的矽酸鐵鋰中實現了多個鋰離子的穩定嵌脫：室溫下單個矽酸鐵鋰分子能長期可逆嵌脫1.4個鋰離子。材料的大比容量及其穆斯堡爾譜證明了其中四價鐵離子的形成與長期存在。這種高價態鐵離子的安全性、穩定性、氧化還原循環過程、相關的晶體結構變化等是本申請項目的主要研究內容。為了有利於多鋰離子的嵌脫,項目的研究內容還包括：合成新型的矽酸鹽固溶體及其晶體結構和性能的調控、用不同價態的元素對晶體中的矽進行部分取代，以調節材料嵌脫鋰離子的電極電位，並產生間隙鋰離子或鋰離子空位等。這些關於多鋰離子嵌脫的矽酸鹽正極材料的基礎研究有助於我國獲得下一代高比能的鋰離子電池高新技術。
結題摘要
為了提高鋰離子電池正極材料的儲能密度和充放電循環性能，突破過渡金屬氧化物和磷酸鹽的極限，實現單分子多鋰離子嵌脫，本項目以過渡金屬矽酸鹽為研究對象，做了如下研究：1）合成了碳包覆單斜相Li2FeSiO4納米顆粒和納米蠕蟲，並在此基礎上分別引入二維石墨烯薄膜和大孔三維石墨烯，合成了石墨烯-矽酸鐵鋰複合材料Li2FeSiO4/C/G和三維石墨烯-矽酸鐵鋰複合材料3D-G/Li2FeSiO4/C，分析了各種具特定結構與形貌的Li2FeSiO4的形成機理，檢測了其作為鋰電正極材料的電化學性能。上述Li2FeSiO4都顯示出了超高的比容量和優良的循環穩定性，如Li2FeSiO4/C/G在0.1C、1C、2C、5C、10C、30C和50C倍率下的放電比容量分別可達310、280、240、200、168、113和53 mAh/g，其中在0.1C、1C、2C和5C倍率下的比容量相當於每個Li2FeSiO4分子中分別可逆嵌入1.86、1.65、1.44和1.20個Li+離子，該比容量不僅高於迄今為止所有文獻報導中的數據，而且表明Li2FeSiO4不僅在低倍率或高溫條件下可以實現，在室溫且高倍率條件下同樣能實現單個Li2FeSiO4分子多個Li+的嵌脫。具納米結構的Li2FeSiO4在充放電過程中的多平台、大放電比容量和高倍率性能表明材料在充放電過程中涉及多個Li+離子的嵌脫與Fe3+/Fe4+的氧化還原。在不同的充放電狀態下對電極材料進行了穆斯堡爾譜測量，譜圖證明Li2FeSiO4在充放電過程中先後經歷了Fe2+/Fe3+和Fe3+/Fe4+的氧化還原過程，在首輪充電至4.8V的過程中，Fe2+/Fe3+與 Fe3+/Fe4+的轉化同時進行；非原位 XRD則表明該過程之後材料會發生相變。2）在Li2FeSiO4的Fe位摻雜V時合成了一系列Li2FeSiO4-Li3PO4共生物；在Li2FeSiO4的 Si位摻雜不同比例的 P，合成了一系列 Li2-yFeSi1-yPyO4/C化合物，研究了Si位摻雜P對Li2FeSiO4電化學性能的影響。3）研究了Li2MnSiO4、鎳鈷錳三元、層狀-尖晶石集成結構Li2MnO3、具多級結構和暴露特定晶面的富鋰富鈉材料的電化學性能。這些關於多鋰離子嵌脫的矽酸鹽正極材料和其他二次電池正極材料的基礎研究有助於我國獲得下一代高比能的鋰離子電池高新技術。
