富锂层状固溶体/锂快离子导体复合材料的原位制备与性能研究

Lithium-enriched layered solid solution is a new kind of cathode material for lithium ion batteries, with a reversible discharge capacity of over 230 mAh/g. and it is one of the potential cathode materials for next generation lithium ion batteries with high energy density. However, the ionic conductivity in these materials is quite low that limits its electrochmical performance at higher charge/discharge rate, and the poor rate capability can not satisfy the needs of batteries for application in electric or hybrid electric vehicles, especially concerning power character. In this project, Lithium-enriched layered solid solution/lithium fast ionic conductor composites will be prepared by in-situ processs, and the lithium ionic conductive network is formed in the coposites, which helps to improve the rate capability of the materials. The effect of the type of lithium fast ionic conductor and the composite proportion on the structure and electrochemical performance of the composite material will be studied. The kinetic characteristics of the lithium ion diffusion the composite material and the mechanism of the improvement in rate capability will be investigated. Through the studies in the this project, the rate capability of the lithium-enriched layered solid solution cathode material will be upgraded significantly, which will accelerate its process to practical use in lithium ion batteries and promote the rapid development of high specific energy battery technology.

富锂层状固溶体是一类新型正极材料，其放电比容量大于230mAh/g，是极具潜力的新一代高比能量锂离子动力电池备选正极材料。但这种材料离子导电性差，导致其倍率性能较差，尚不能满足动力电池的应用要求，特别是功率特性方面。本项目提出采用原位复合的方法将快锂离子导体引入富锂层状固溶体材料中形成复合材料，构筑锂快离子导体导电网络，大幅提高富锂层状固溶体颗粒间的锂离子传输速度，从而显著提高倍率性能。考察不同的锂快离子导体种类及其复合比例对材料组织结构和电化学性能的影响。研究锂离子在复合材料中的扩散动力学过程，揭示复合后倍率性能改善的机理。通过本项目的研究，可显著提高富锂层状固溶体材料的倍率性能，有助于加速富锂层状固溶体正极材料实用化进程，促进高比能动力电池技术的快速发展。

富锂层状固溶体是一类新型正极材料，其放电比容量大于230mAh/g，是极具潜力的新一代高比能量锂离子动力电池备选正极材料。但这种材料离子导电性差，导致其倍率性能较差，尚不能满足动力电池的应用要求，特别是功率特性方面。.本项目采用原位复合的方法分别制备了富锂层状固溶体/锂快离子导体（Li2SO4、Li3PO4、Li2SiO3等）系列复合材料，复合材料的放电容量、首次效率、倍率性能都得到一定的提升。对富锂层状固溶体/快离子导体复合材料制备过程的关键参数，如喷雾干燥温度、进料速度、配锂量、热处理条件（温度、时间和升降温速率）等对复合材料形貌、结构和组成的影响进行了实验和研究，分别确定了不同复合体系及不同比例对材料结构和电化学性能的影响。硫复合的材料以0.5wt%含量的性能最优，其放电容量可以达到280mAh/g，首次效率81.9%，3C大于160mAh/g；磷复合的材料以0.3wt%含量的性能最优，其放电容量可以达到280mAh/g，首次效率85%，3C大于170mAh/g；硅复合的材料以0.5wt%含量的性能最优，其放电容量可以达到277.1mAh/g，首次效率78.3%，3C大于180mAh/g。采用电导率测量法、交流阻抗（EIS）及PITT法对富锂层状固溶体及其与锂快离子导体的复合材料的电极进行了测试，复合材料的加入极大提高了电极的电导率。通过建立了电极反应过程的动力学模型，推导出复合材料的锂离子扩散系数高于原始材料，从而导致了快离子导体复合后材料倍率性能的提高。.通过本项目的研究，可显著提高富锂层状固溶体材料的倍率性能，有助于加速富锂层状固溶体正极材料实用化进程，促进高比能动力电池技术的快速发展。.