共掺杂金属阳离子制备快离子导体复合尖晶石LiMn1.5Ni0.5O4阴极材料

基于动力与储能的迫切需求，锂离子电池正在向高能量、高功率、长寿命和高安全性发展，由于正极容量限制，正极材料一直是制约锂离子电池性能的瓶颈。尖晶石LiMn1.5Ni0.5O4正极材料具有高放电容量和放电电压，是最有希望的下一代锂离子电池正极材料。然而，由于材料内部锂离子迁移速率低和Mn3+干扰，这种材料的功率性质和长期循环性能欠佳。针对这一现状，本课题拟通过金属阳离子共掺杂制备快离子导体复合尖晶石LiMn1.5Ni0.5O4正极材料，利用金属阳离子掺杂稳定晶格结构，消除材料内部Mn3+的干扰，同时，优选适当的共掺杂元素与掺杂元素一起生长成为室温锂离子快离子导体分散在正极材料中，提高锂离子在其中的扩散速率，通过优化这种复合材料的化学组成与合成条件，研究其结构和界面性质，探讨锂离子的扩散速率和扩散行为，发展高功率长寿命LiMn1.5Ni0.5O4正极材料，亦为发展其它高功率正极材料探索新途径。

本课题研究工作的核心是选择合适的金属阳离子共掺杂制备具有掺杂和快离子导体复合双重效果的尖晶石LiNi0.5Mn1.5O4（LNMO）正极材料，利用金属阳离子掺杂稳定晶格结构，控制材料内部Mn3+的含量，同时，共掺杂元素与掺杂元素在LNMO的生长条件下形成室温锂离子快离子导体分散在LNMO主体相中，提高锂离子的扩散速率，改善材料的倍率性能和循环性能，优化材料的合成方法、化学组成和控制材料的晶体结构，结合电极/电解液的界面控制，发展高功率和长寿命LNMO正极材料。围绕上述内容，课题组在探索了LNMO的不同制备方法，发展了Li、Ni、Mn三中元素的均匀共沉淀技术，实现了一锅水热法制备LNMO材料，建立了尖晶石LNMO基础材料的优化制备工艺。在此基础上，通过优选不同的制备方法，成功制备和优化了La/Zr金属阳离子共掺杂的LLZO快离子导体复合尖晶石LNMO正极材料，克服了LNMO与快离子导体间的晶界问题，得到LLZO快离子导体复合比为2%时，掺杂和快离子导体复合的双功能作用发挥明显，材料中锂离子迁移率可提高3倍左右，倍率性能和循环性能显著提高；同时，制备和优化了La/Ti金属阳离子共掺杂的LLTO快离子导体复合尖晶石LNMO正极材料，发现LLTO的复合比为5%时，锂离子迁移率可提高3倍左右，材料性能显著提高。结合材料的界面优化，发展了基于高抗氧化性的TFPC基电解液和复合高浓度锂盐电解液，改善了5V级高压正极材料与电解液的相容性；成功实现了惰性聚合物包覆稳定电极/电解液相界面，提高了电极的循环稳定性和安全性能，拓展了LiMnPO4快离子导体复合材料及其制备技术。上述结果对未来高比能新型复合储能材料的设计、合成与应用具有重要的理论意义和实践意义，对未来全固态电池中活性物质与固体电解质的复合有指导作用，亦为发展其它新型高功率电极材料提供了新思路，具有实用和推广价值。