介孔球形LiFePO4/C原位复合材料制备及电化学性能调控研究

磷酸铁锂（LiFePO4）是重要的锂离子动力电池正极材料。本研究提出"金属离子诱导基因调控介孔微球结构形成"的思路，以微生物酵母细胞为自组装结构模板，采用微生物催化合成新技术，从分子水平上控制LiFePO4纳米颗粒的沉积矿化，利用酵母细胞中严密的基因识别调控功能及特异的排序功能将LiFePO4纳米颗粒组装成介孔微球结构，通过原位复合碳化和晶化热处理技术，合成具有介孔微球结构的高性能LiFePO4/C原位复合粉体材料。利用微生物代谢原理研究介孔微球结构的形成与调控机理；通过研究介孔微球结构及晶体结构和原位复合结构与电化学性能之间的关系，揭示LiFePO4/C原位复合材料的结构、组成对锂离子传导/嵌脱性能、电导率和能量密度的调控规律。本研究对锂离子电池材料的理论研究和大容量高功率锂离子动力电池的应用具有重要的理论价值和实际意义。

磷酸铁锂（LiFePO4）作为新型清洁能源锂离子动力电池正极材料具有特有的优势，已开始用于混合动力储能装置，并取得了一定的经济和社会效益。但是LiFePO4实际比容量远低于理论值，高倍率放电性能较差，难以满足大容量高功率动力电池使用要求。因此，设计和合成结构形貌可控的LiFePO4，深入认识利用纳米生物技术提高电化学综合性能的本质，无疑是电化学和材料科学中一个重要的新研究方向。本项目首次采用微生物催化合成新技术，从分子水平上控制LiFePO4纳米颗粒的沉积矿化，利用酵母细胞中严密的基因识别调控功能及特异的排序功能将LiFePO4纳米颗粒组装成介孔微球结构，通过原位复合碳化和晶化热处理技术，合成了具有介孔微球结构和良好性能的LiFePO4/C原位复合材料。并对介孔微球结构和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。本项目研究按计划完成了研究内容与指标任务，取得了预期成果：（1）掌握了酵母细胞在特定环境中催化代谢的规律，建立了LiFePO4晶粒生物矿化过程的基因调控方法，阐明了介孔微球结构的形成机理；⑵ 合成材料中介孔微球粒径为2～8μm，LiFePO4 晶粒为4～50nm，碳含量为15.28 %，碳颗粒5～10nm，介孔孔径约为12.6 nm，孔隙率为18.2%，振实密度1.87g/cm3；⑶ 揭示了合成材料的介孔微球结构、LiFePO4 晶体结构、原位复合碳导电网结构及碳含量和LiFePO4/C 的表面异质纳米结构对电化学性能的调控规律；⑷ 合成的LiFePO4/C 复合材料具有良好的电化学性能，其电导率为4×10-3 S cm-1，能量密度为358 Wh kg-1；10C 放电比容量为125 mAh g-1，首次库伦效率为91%,，循环500 次放电比容量保持率为83%。.本研究拓宽了纳米生物技术应用领域，丰富了正极材料组成、结构设计与实现的途径和研究方法，开发了新的合成体系和合成技术，合成了具有新型纳米结构的LiFePO4 正极材料，认清了介孔微球LiFePO4 组成、结构、技术与性能关系，对促进我国的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，对其它材料的研究与应用也具有重要的参考与指导作用。