含硼锂离子电池电极材料的制备、电化学性能及其嵌锂机制研究

本申请以能源材料领域中极具发展潜力的含硼锂离子电池电极材料为研究对象，拟通过化学液相合成法、溶胶-凝胶法、共沉淀法及其组合等实现对LiMBO3（M=Mn,Ni及V等）的可控合成、电化学性能及其嵌锂机制的研究。拟重点探讨制备工艺对材料结构、粒径、维度和均匀性的影响，探索出优化和宏量化的制备路线，并通过微纳化技术、掺杂及石墨烯包覆等提高材料的均匀性、改善材料的导电性、提高材料的充放电容量和循环性能；本申请还拟通过同步辐射原位X射线衍射和光电子能谱研究掺杂和表面包覆对材料循环过程中表/界面电子结构变化、材料结构稳定性等对其电化学性能的影响，筛选出容量高、循环性能好的正极材料，研究其结构与电化学性能间的关系并对锂离子脱嵌机理进行深入研究，从而为新型高效含硼锂离子电池电极材料的控制合成与应用提供一定的技术支持和实验基础。

随着对能源、资源和环境的不断重视，新型、高性能、低成本的“绿色化学电源”含硼锂离子电池电极材料受到了人们越来越多的关注。本项目在含硼锂离子二次电池正负极材料相对温和条件下的可控合成、电化学性能及其充放电机理研究等方面开展了较为系统的研究，并探索了部分材料在全电池及点亮LED灯等方面的初步应用。主要工作包括以下几个方面:.1. 含硼锂离子电池正极材料. LiMnBO3作为锂离子电池正极材料因具有相对较高的理论容量（约220 mAh g-1）、在循环过程中较小的体积变化及较高的结构稳定性和可调控的电压平台等优点而备受关注。LiMnBO3具有两种物相(单斜和六方相)都可以被用来做锂离子二次电池正极材料。此种材料具有较高的能量密度和较高的平均电压（4.1V/3.7V）。我们利用多种方法在较温和的实验条件下实现了锂离子电池正极材料硼酸锰锂（LiMnBO3）的可控合成，并通过控制温度和原位碳包覆等分别获得了m-LiMnBO3/C及h-LiMnBO3/C复合材料。同文献中的相关报道相比，我们的制备方法优化了制备条件和工艺, 减少了材料在后续包碳过程中材料与潮湿空气接触的可能，同时减少了材料的尺寸，提高了材料的导电性; 将所得不同物相硼酸锰锂材料及其碳包覆材料进行了电化学性能、循环稳定性及充放电机理等的研究。首次测得了m-LiMnBO3/C的倍率性能; 解释了两种不同物相LiMnBO3性能出现差异的原因。该方法是一种合成含硼锂离子电池电极材料较为普适和宏量化的新方法。.2. 含硼锂离子电池负极材料. 采用简单的共裂解法、溶剂热/水热以及后续煅烧等方法合成了具有一维纳米结构的Fe3BO6、Fe3BO6/C、Mn2OBO3材料并将其作为锂离子电池负极材料进行了电化学性能的系统研究。所得材料均体现出了良好的电化学性能; 我们采用聚合物热解法合成了新型的嵌入式LiZnBO3负极材料，并发现其具有优良的电化学性能 (在100 mA g-1的电流密度下，可逆容量约为800 mAh g-1)。.3. 电池性能的提升及全电池的组装. 我们通过微纳化、掺杂和碳包覆等提升了含硼酸盐及其它多种锂电电极材料的电化学性能和循环稳定性；在上述研究工作的基础上, 我们还择优选择了部分所得材料成功组装了纽扣全电池并测试了其电化学性能, 还探索了全电池在点亮LED灯等方面的可能应用。