具有多种聚阴离子基团的锂离子电池正极材料的结构调控及脱嵌锂性能研究

锂离子电池的发展依赖于电极材料的突破。具有多种聚阴离子基团的正极材料由锂、过渡金属、两种或多种不同聚阴离子基团共同构成，具有较高的理论容量、稳定的三维结构及广阔的应用范围等诸多优点，是一种新型锂离子电池正极材料。本项目针对具有多种聚阴离子基团材料的特点，开展结构调控与设计、合成方法优化及电化学脱/嵌锂机理研究等方面的工作。以期通过本项目的研究，探索多种聚阴离子基团共存对材料结构的影响，初步阐明材料结构变化对电化学反应过程及脱嵌锂机理的影响，进一步揭示材料结构调控与电化学性能之间的关系，最终筛选出适合做为锂离子电池正极材料的具有多种聚阴离子基团材料的合理组成与结构。具有多种聚阴离子基团的材料是一种新型固体功能材料，将其应用于锂离子电池，不仅拓宽了锂离子电池材料的研究领域，而且为电极材料的开发提供了新的研究思路和理论基础。因此，本项目具有很好的理论与实际意义。

本项目着眼于具有多种聚阴离子基团的锂离子电池正极材料这一崭新的研究领域。首先，从磷酸盐或硅酸盐型单聚阴离子材料出发，通过巧妙设计聚阴离子基团的掺杂或替代方案，得到五种可用作锂离子电池正极材料的多聚阴离子材料，即贫锂硅磷酸铁锂系列、富锂硅磷酸铁锂系列、富锂硅磷酸锰锂系列、富锂硅铝（钒、铬）酸锰锂系列和硅磷酸锰铁锂钠镁系列。根据多聚阴离子材料的特点，通过改变聚阴离子基团之间的配比，对其结构进行了调控。利用现代分析测试技术，阐明了结构调控对多种聚阴离子材料电化学性能的影响，揭示了与造成这些影响相关的嵌脱锂机理的变化。以获得电化学性能最优的多聚阴离子材料为准则，充分利用各种改性措施对电化学性能的影响，巧妙地设计了合成方法和工艺路线，并优化了合成过程的相关工艺参数，制备了几种电化学性能较优的具有多种聚阴离子基团的锂离子电池正极材料。根据相关的脱嵌锂模型，探讨了多聚阴离子材料的电化学嵌脱锂机理，分析了电极反应过程的控制因素。此外，还设计了一种简单易行的溶胶凝胶法合成了高纯的磷酸焦磷酸铁锂，测试了其各种物理性质，并首次测试了其作为锂离子电池正极材料的电化学性能。