一维纳米硅酸盐材料的形貌控制合成及嵌脱锂机理研究

高容量电极材料特别是正极材料的结构设计与合成是获得高比能量锂二次电池的关键。硅酸盐正极材料（Li2MSiO4，M=Fe、Mn、Co）由于其较高的理论容量引起了国内外学者的重视。但材料电导率不高、倍率性能差以及循环容量衰减快是目前亟需解决的问题。本项目通过对硅酸盐材料的量子化学计算研究，掌握材料在嵌脱锂过程中的相变过程,为高容量、长寿命和良好放电倍率的正极材料的研制提供理论依据，并完善基于密度泛函理论的量子化学计算在电池材料嵌脱锂机理研究中的方法和理论；借助AAO模板法获得形貌可控的Li2MSiO4一维纳米材料，研究原位制备一维纳米材料电极的工艺参数的改变对结构形貌及电化学性能的影响;确定材料的电化学嵌脱锂反应机理及其在循环过程中的失效机制,获得材料电导率、放电倍率以及循环容量性能的改善思路。本项目对于丰富电极过程动力学理论，开发高容量正极材料和新一代高比能量锂离子电池具有重要的理论意义。

聚阴离子型的硅酸盐正极材料Li2MSiO4具有较高的理论比容量，是作为安全廉价高性能正极材料的重要选择之一。本项目通过对硅酸盐材料的理论和实验研究，为高容量、长寿命和良好放电倍率的正极材料的研制提供理论和实验依据。采用水热法及固相法系统研究了材料及电极的制备参数的改变对结构形貌及电化学性能的影响，获得了具有良好微观结构和电化学特性的高性能硅酸盐纳米材料。对固相合成法中烧结温度和碳含量对材料结构和嵌脱锂特性的影响进行了系统研究，发现700 ℃烧结、碳含量为8.3%的Li2FeSiO4/C材料具有最优的容量和倍率特性，0.1 C首次放电容量141 mAh/g，1 C首次放电容量为88.6 mAh/g，50次循环后容量保持率在85%以上，表现出良好的循环和倍率特性。系统研究了水热反应温度及碳含量对材料结构和电化学嵌脱锂特性的影响。采用优化后的合成条件制备的Li2FeSiO4/C纳米复合材料粒径均一，具有良好的碳包覆结构， Li2FeSiO4/C材料在0.1 C下20次循环后放电容量仍可达到151 mAh/g，1 C下首次放电容量121 mAh/g，30次循环中放电容量维持在约110 mAh/g，2 C首次放电容量90 mAh/g，50次循环后放电容量仍可达93 mAh/g。研究了利用水热法合成Li2MnSiO4/C材料的结构、形貌，170℃水热反应8h、沥青作为包覆碳源前驱体方法制备的Li2MnSiO4/C材料在50℃下首次放电容量可达到172 mAh/g，表现了较好的循环稳定性。另外，还研究了哌啶型离子液体与咪唑型离子液体共混体系电解质在电池中的性能，发现共混体系电解质具有安全性好，热稳定性高，电化学窗口宽等特点，适量的PP13TFSI型离子液体添加，有效地抑制了咪唑型离子液体在负极表面的分解，常用的正极材料在该体系电解液中都获得了良好的可逆容量和循环稳定性。开展了未来可与高容量硅酸盐正极材料兼容的高性能硅负极材料研究，电极表现了较高的充放电容量和电化学循环稳定性。本项目通过材料制备条件优化、结构和形貌表征及嵌脱锂特性分析，获得微观形貌良好、性能优异的硅酸盐正极材料，明晰了材料充放电过程中的结构变化和性能演变历程，同时研究了一种适合聚阴离子型材料的高安全性复合电解质溶液体系及一种高容量硅负极材料。项目对于开发高容量正极材料和高比能量锂离子电池具有重要理论和实际意义。