新型钌基层状正极材料的设计、制备与其储锂机制

Design and exploitation of new cathode material is always one of the most important projects for lithium-ion batteries. ruthenium-based layered cathode material Li2RuO3 attracts wide attentions owing to the high reversible capacity, excellent electronic and ionic conductivity. Particularly, the electrode material shows a novel charge compensation mechanism at the high working potential. This project aims to study the lithium-ion storage mechanism and the relationship between the crystal/electronic structural evolution and electrochemical performance for Li2RuO3 by employing the in situ synchrotron and the first-principle calculation. In addition, we plan to design and prepare new-type Li-rich ruthenium-based layered materials xLi2RuO3(1-x)LiMO2, and study the Li-ion storage mechanism and the electrochemical properties. We hope this project will benefit the exploitation of new cathode materials with high energy and power density in future.

设计与开发新型正极材料是锂电池研究中的重要课题之一。钌基层状正极材料Li2RuO3不仅具有高的可逆比容量，优秀的电子/离子协同导电能力，尤其是材料在高电压区间展现出新奇电荷补偿机制更是吸引了学术界的广泛关注。本项目采用实验与理论相结合的研究思想，以原位同步辐射及第一性原理计算为研究手段，首先从探讨Li2RuO3储锂机制入手，构建该体系在充放电过程中结构和电子结构演变与电化学性能之间的构效关系，深入揭示材料电化学反应机理。并在此基础上，设计并制备新型富锂钌基层状正极材料xLi2RuO3(1-x)LiMO2，探索其充放电机制，优化电化学性能，为开发下一代具有高能量密度和功率密度的新型正极材料奠定基础

本项目旨在以高比容量钌基层状正极材料Li2RuO3为研究对象，从根源上解释钌基层状正极材料的储锂机制，为开发和设计下一代具有高能量密度和功率密度的新型正极材料奠定基础。实验上我们发现，Li2RuO3材料作为电子、离子混合导体，呈现出优异的储锂性质。另外，我们运用原位同步辐射技术结合Rietveld精修对其充放电过程中的结构相变进行了深入的研究，确定了材料在首次充电过程中从单斜晶系C2/c经由晶胞参数变化过渡到另一种不同的C2/c中间相，最后转变到三方晶系R-3相。同时，分别采用阳离子、阴离子掺杂的方式，设计了Ti4+离子和F-离子掺杂实验，通过掺入半径较小且没有电化学活性的离子及电负性更强的阴离子两种方式，有效地提高了Li2RuO3材料的电化学循环与结构稳定性。此外，我们将研究领域拓展至钠离子电池，通过将Li2RuO3材料用作钠离子电池的正极，构建了混合离子输运的新型电池体系，并研究了Li2RuO3材料在钠离子电池体系中的电化学性质、充放电机理以及结构相变过程，发现Li2RuO3在钠离子电池体系中以Li+和Na+离子的混合嵌入为主；Li2RuO3在Li+/Na+共嵌入过程中能够实现两种晶胞参数不同的C2/c相转变，且随着参与反应的钠离子逐渐增多，300次循环之后，结构从单斜晶系的C2/c向六方晶系R-3m转变。