富锂锰基固溶体正极材料的纳米构筑、性能调控与电化学研究

The project will systematically study the Lithium-rich manganese base solid solution materials by developing actual different tecniques for building and modulation to obtain Li-rich nanomaterials and to develop electrochemical mechanism.This investigation will improve some key scientific problems for lithium-ion batteries in scopes of new energy and new material. Especially, the research will focus study on the following three aspects: 1) Nano building for spherical and wirelike Li-rich solid solution materials. 2) Property modulation for Li-rich solid solution by using graphene or carbon materials and some metal oxide, regulating product structure. 3) The Li-rich solid solution research on the relationship between electrochemical properties and structure, and to clearly the process of charge and discharge mechanism by the way of theoretical calculation combined with experiment. Based on our current achievements,this project is further researching ways to realize the synthesis of Li-rich solid solution nanomaterials, coating modification and structure change, etc. The success of this project holds promise of creating new potential for high power lithium-ion batteries in electric vehicles,paving the way for the nano building, propety modulation and electrochemical mechanism, etc.

本项目面向新能源锂电池中的新材料、新概念和高效需求，将高性能纳米正极材料应用于电池技术，以富锂锰基固溶体这一新型正极材料为研究对象，针对富锂固溶体的纳米构筑、性能调控与机理研究中的若干关键科学问题，重点围绕以下三方面开展研究：1）球形、纳米线状等固溶体的纳米制备；2）石墨烯等碳材料和金属氧化物对富锂的包覆改性，调控产物结构；3）固溶体的电化学性能与结构间关系研究，辅以理论计算指导实验设计来清晰固溶体的充放电机理。在现有工作基础上，拟利用四年时间集中探讨固溶体的合成方法、包覆改性、结构变化、充放电机理以及它们间的相互规律，开发出新型结构的富锂纳米材料，获得优化材料性能等关键技术，得到结构新颖、性能优异的富锂锰基固溶体材料，为实现大功率锂离子电池在电动车领域的应用奠定科学基础。

锂离子电池用正极材料一直是限制锂离子电池能量密度的关键材料，提高正极材料的能量密度和电化学稳定性是当前锂电池的重要研究内容，本课题围绕锂电池用高能量密度的富锂固溶体材料展开研究，完成了富锂锰基固溶体正极材料的纳米制备与性能调控，开展了系列研究，取得以下成果：（1）建立了两种富锂锰基固溶体的宏量规模制备方法，使用微碳球做模板水热辅助均匀共沉淀方法，获得了空心球形富锂锰基（Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2）正极材料，该材料首次放电比容量达到305.93 mAh g-1，是当前报道中最优异的性能；使用静电纺丝技术，成功制得多孔线状镍钴锰三元及富锂固溶体纳米纤维材料。（2）开展了富锂材料的性能与结构调控的机制研究，对富锂锰基固溶体正极材料进行掺杂改性，提高材料的电化学性能；采用密度泛函理论（DFT）进行第一性原理计算，研究了材料掺杂改性过程中的电子组态等性质变化情况；研究了富锂固溶体正极材料充放电过程中的界面电化学反应，清晰材料的反应机理。（3）开发了一种离子液体基高安全性高电压电解液，通过使用离子液体Pp13TFSI作为添加剂配制得到了4.8V高压电解液，其组装的3.6Ah容量电池可通过针刺安全实验，研究结果为高安全性锂离子电池提供理论和实验依据，具有较强的应用前景。在此基础上，本课题拓展研究思路，开展了系列锂-空气电池的研究，取得部分研究成果：（1）合成了几种金属纳米团簇，有FexNiy合金、CoO、Co3O4、NiO等，通过负载在不同形式的石墨烯基底，将其应用于锂空气电池的正极催化剂，取得了系列研究成果。（2）研究了几种超薄二维材料负载金属氧化物或金属纳米团簇在锂-空气电池中的应用，开展了二维 Mn-MOFs、Co-MOFs、Ni-MOFs，以及Ti3C2 MXene复合过渡金属的研究，研究结果表明，金属纳米团簇及其负载在超薄二维纳米材料之后，可作为有效的正极催化剂降低反应过电势，增加或暴露更多活性位点，促进催化反应的进行。