介孔高能磷酸盐纳米晶玻璃/碳原位复合正极材料电化学性能研究

Mesoporous phosphate nanocrystalline glass is a cathode material with great application potential for lithium-ion power batteries. This study presents a new concept on "metal ions catalyze microbial metabolic network, structure of high energy nanocrystalline glass inherits mesoporous structure of the metabolic network and in-situ composite carbons constitute three-dimensional conductive network ". Taking metabolic network of yeast cells as structural templet and carbon source, nanobiotechnologies are employed to prepare mesoporous Li2O-MgO- V2O3-Fe2O3- P2O5 glass/C in-situ composite with high energy nanocrystallines and inherited structure of metabolic network. By using biological mineralization and microbial metabolism theory, we will research the forming and regulating mechanisms of glass structure inherited mesoporous structure of metabolic network and the introducing and transforming mechanisms of high-energy phosphate bonds in glass structure. The relations among glass structure inherited mesoporous structure of metabolic network, high-energy phosphate bonds, nanocrystalline structure, three-dimensional conductive network structure constituted by in-situ composite carbons and electrochemical performances will be studied. We will also explore the rules regulated the storage and transport performances of lithium ion, electronic conductivity, high rate performance, energy density and cycle performance with the component and structure of synthesized composite materials in order to improve its electrochemical properties. This study has important theoretic value and practical significance for the research, development and its application of new cathode materials for lithium-ion-drive batteries.

介孔磷酸盐纳米晶玻璃是一类很有潜力的锂离子动力电池正极材料。本课题提出"金属离子催化微生物代谢网络遗传高能纳米晶玻璃结构与介孔结构并形成原位复合碳三维导电网"的新思路，以酵母细胞的代谢网络结构为模板和碳源，合成具有代谢网络遗传结构的介孔高能Li2O-MgO-V2O3-Fe2O3-P2O5系纳米晶玻璃/碳原位复合材料。运用生物矿化和微生物代谢理论研究代谢网络遗传玻璃结构与介孔结构的形成与调控机制和高能磷酸键的引入转化机制；通过研究代谢网络遗传玻璃结构、高能磷酸键、介孔结构、纳米晶结构及原位复合碳三维导电网结构与电化学性能之间的关系，揭示合成材料的组成、结构对储锂传导/嵌脱性能、电子电导率、高倍率性能、能量密度和循环性能的调控规律，并提高其电化学性能。这对研究开发新型锂离子动力电池正极材料及其应用具有重要的理论价值和实际意义。

本项目首次采用金属离子催化微生物代谢网络遗传高能纳米晶玻璃结构与介孔结构并形成原位复合碳三维导电网的合成新技术，以酵母细胞的和生物质为模板和碳源，从分子水平上控制纳米晶体颗粒的沉积矿化，通过原位复合碳化和晶化热处理技术，合成了具有代谢网络遗传结构的系列介孔高能磷酸盐纳米晶玻璃/碳原位复合材料，并对纳米原位复合结构与合成材料电化学性能关系以及合成机理和锂离子传输机理进行了系统的研究与探索。本项目按计划完成了研究内容与指标任务，取得了预期的系列研究成果；（1）掌握了酵母细胞中代谢网络组成结构的特性和自组装方式，建立了代谢网络遗传纳米晶玻璃/碳原位复合结构的调控方法，阐明了纳米复合结构的形成机理；⑵ 合成的介孔高能磷酸盐纳米晶玻璃/碳原位复合正极材料，其晶粒尺寸10～25 nm，介孔孔径为3～15 nm，孔体积为38 cm3 g-1，振实密度为2.16 g cm-3。⑶ 揭示了合成材料结构对储锂传导/嵌脱性能、电子电导率、高倍率性能、能量密度和循环性能的调控规律，建立了储锂模型及Li+和电子的传输通道模型，提出了新型玻璃正极材料设计的新途径及锂离子传输机理。⑷ 合成的介孔高能磷酸盐纳米晶玻璃/碳原位复合正极材料具有良好的电化学性能，其电导率为5.1×10-３ S cm-1，离子扩散系数 为4.13×10-14 cm2 s-1，电荷转移电阻为26Ω，能量密度为525 Wh kg-1，放电比容量为145 mAh g-1，首次充放电效率为92%，循环1000次后放电比容量保持率为70%，上述各项技术性能指标达到或高于研究计划目标，其高倍率电化学性能指标远高于目前商业应用的复合正极材料。. 本研究拓宽了玻璃材料和纳米生物技术的应用领域，丰富了正极材料组成、结构设计与实现的途径和研究方法，开发了新的正极材料合成体系和合成技术，合成了系列介孔高能磷酸盐纳米晶玻璃/碳原位复合正极材料，认清了其组成、结构、技术与性能关系，对促进高性能正极材料在高能量动力锂离子电池的研究与应用具有重要的理论价值和实际意义。