三元镍钴锰/碳微纳复合正极材料的结构设计及高倍率锂电性能研究

The main problems of commercial LiCo1/3Mn1/3Ni1/3O2 cathode materials usually can be summarized as the low capacity at high charge/discharge rates and poor cycle stability when driving into deep discharge state. So how to obtain a stable、efficient and economic active material has become a urgent problem for the lithium ion battery industry. This project intends to obtain LiCo1/3Mn1/3Ni1/3O2 micro-nano structure with abundant high crystallinity {010} facets using hydrothermal/solvothermal synthesis and further obtain LiCo1/3Mn1/3Ni1/3O2/carbon micro-nanocomposites by spray granulation technique and so on. Eventually achieve the combination of structural design、micro-nano assembly and carbon coating for the final products. Systematically study of the as-obtained nanomaterials' predominant crystal orientation、size、morphology and the assembled structure under the impact of the organic/inorganic molecules' "surfactant-template" effects and their influence on the electrochemical properties; investigate the synergistic effect mechanism between LiCo1/3Mn1/3Ni1/3O2 and carbon materials; provide the research foundation for exploring the specific capacity loss mechanism and the effective suppression measures. We aim at achieving composite cathode material with improved charge/discharge capacity and cyclic stability at the high rates and high voltage.

商用的三元正极材料LiCo1/3Mn1/3Ni1/3O2主要存在的问题可以概括为大倍率条件下容量低，深度充放电循环时容量衰减快。因此，如何获得稳定、高效、经济的三元材料是目前锂离子电池行业发展亟待解决的问题。本项目拟用水热/溶剂热等液相技术合成多种高结晶度{010}面大量暴露的LiCo1/3Mn1/3Ni1/3O2微纳结构，再结合喷雾造粒等技术构建碳均匀包覆的LiCo1/3Mn1/3Ni1/3O2/C微纳复合材料，最终实现对材料的结构设计、微纳组装以及碳均匀包覆三者的有机结合。系统地研究有机/无机分子的“表活-模板”诱导作用下微纳材料的晶面取向、尺寸、形貌和组装结构等对电化学性能的影响；探讨LiCo1/3Mn1/3Ni1/3O2和碳材料之间的协同作用机理；为探索比容量损失机理以及有效的抑制措施提供研究基础，以期得到在高倍率、深度充放电条件下具有高比容量和循环稳定性的复合三元正极材料。

商用的三元正极材料LiCo1/3Mn1/3Ni1/3O2主要存在的问题可以概括为大倍率条件下容量低，深度充放电循环时容量衰减快。因此，如何获得稳定、高效、经济的三元材料是目前锂离子电池行业发展亟待解决的问题。本项目主要研究内容包括：（1）在锂离子电池正极材料的结构构筑方面，采用水热/溶剂热等液相制备技术，利用有机/无机分子具有的表活-软模板、酸、碱性介质的多重功能，探索行之有效的能使晶面取向择优生长的方法；通过控制配体与金属离子的比例，获得尺寸可控、结晶性较好，且暴露大量{010}晶面的三元材料，并研究其结晶习性；研究微纳结构的形成及组装机理，特殊晶面的暴露等对材料电化学性能的影响。（2）通过一系列行之有效的碳复合技术构建活性物质/碳（石墨烯和炭黑）微纳复合材料，探索不同条件下制备复合材料的新工艺；研究复合电极材料的组成、结构与电化学性能间的关系；探讨碳材料与活性物质之间的协同作用机理，改善因高倍率，高电压充放电条件下而导致的材料易团聚、极化等问题，为提高材料在高倍率，高电压充放电条件下的循环性能和比容量奠定基础。最终在锂离子电池复合材料的制备、原材料的微纳化及特殊晶面结构设计等方面取得了相应进展；为探索高倍率（1-20 C），高电压（4.4 V以上）条件下，比容量高（165 mAh/g）、循环寿命长（循环200 圈以后，容量保持率98.2 %），充放电效率高的复合正极材料积累了实验数据并提供了理论指导；为碳材料在锂离子电池材料领域的实际应用提供了研究基础。本项目执行期间，在国际能源与材料方面有影响力的刊物上发表了SCI论文28篇，申请发明专利11项，参加能源及材料相关的国内外会议4次，培养硕士研究生4名。