尖晶石-层状富锂梯度正极材料的构建及相互作用机制

Obtaining cathode materials with both high specific capacity and high rate capability is one of the research hotspots and difficulties in the research of lithium ion batteries. In this project, a new idea is proposed to obtain cathode materials with high specific capacity and high rate capability by constructing gradient manganese-based spinel-layered lithium-rich materials. Through optimizing the preparation conditions, optimal process for preparing the gradient materials will be obtained. Based on the research of the phase structure, the element distribution and the micro morphology of the gradient spinel-layered lithium-rich cathode materials, the change and formation mechanism of the phases in the gradient materials will be revealed. By studying the conductive properties of lithium ions in the materials and the electrochemical properties of the materials, combined with the analysis of the phases and elements of the materials, the interaction mechanism between the spinel and the layered lithium-rich cathode material will be explored. Based on the research, the problems existing in the layered lithium-rich cathode materials such as initial coulombic efficiency, rate capability and cycling performance will be improved. And the dependence and mechanism of the effects of gradient treatment by spinel on the phase structure, micro morphology, coulombic efficiency and rate capability of the layered lithium-rich cathode materials will be explained. Moreover, important parameters and scientific basis for the research of cathode materials with high specific capacity and high rate capability for lithium ion batteries will be provided.

获得同时具有高比容量和高倍率性能的正极材料是目前锂离子电池研究的热点和难点。本项目提出通过构建锰基尖晶石-层状富锂梯度材料来获得同时具有高比容量和高倍率性能正极材料的新思路。项目通过优化制备条件，来获得制备梯度材料的最佳工艺；通过研究材料的物相结构、元素分布、微观形貌等，来揭示梯度材料中物相的形成和变化机制；通过研究材料中锂离子的传导性质和材料的电化学性能，结合对物相和元素等的研究，来探明梯度材料中尖晶石与层状富锂正极材料之间的相互作用机理。通过本项目的研究，将有效改进层状富锂正极材料在首次库伦效率、倍率和循环性能等方面存在的问题，揭示尖晶石的梯度化处理对层状富锂正极材料的物相结构、微观形貌、库伦效率和倍率性能等的影响规律和作用机制，并为比高容量、高倍率锂离子电池正极材料的研究提供重要的参数和科学依据。

为了提高层状富锂锰基正极材料的电化学性能，项目在优化低温液相燃烧合成法、共沉淀法制备层状富锂锰基正极材料工艺的基础上，深入研究了离子改性和形貌控制对尖晶石和层状富锂正极材料电化学性能的影响规律，研究了尖晶石-层状富锂复合材料的性能，并探讨了尖晶石对层状富锂材料性能的影响规律。.研究结果表明，低温液相燃烧合成法可以制备得到无杂质且性能优异的层状富锂正极材料。离子掺杂研究表明，Cu、Zn、Na掺杂能明显改进尖晶石LiNi0.5Mn1.5O4材料的倍率性能和循环性能；Zr掺杂后，有序相LiNi0.5Mn1.49Zr0.01O4材料的循环稳定性和倍率性能改进明显，而无序相材料的循环稳定性几乎没有变化，且倍率性能有所下降。Al和Li元素改性后，层状富锂正极材料除循环性能变化不大之外，首次库伦效率、比容量、倍率性能都明显提高，且循环前后电压平台的衰退明显减弱。对材料的微观形貌控制研究表明，棉花为模板制备的三维多孔纤维状尖晶石材料晶粒细小、分散性好，其电化学性能有提升明显；滤纸辅助法制备的尖晶石材料呈现薄片状微观形态，其循环稳定性和速率性能明显提高。对尖晶石-层状富锂正极复合梯度材料的研究表明，在2.0-5.0V范围内，随着尖晶石含量的增加，梯度材料的放电比容量逐渐降低，放电曲线中位电压逐渐升高，循环性能有所改善，但放电电压平台的衰减略微加大；在2.0-4.8V范围内，除比容量略微下降外，材料的循环性能、电压衰减等都明显改善。.通过项目研究，尖晶石LiNi0.5Mn1.5O4、层状富锂锰基正极材料的循环性能、倍率性能都得到了有效提升；尖晶石改性对层状富锂锰基正极材料的性能有明显改善作用，证明了低温液相燃烧合成法制备层状富锂锰基正极材料是有效的，尖晶石改进层状富锂锰基正极材料性能的思路也是可行的，对获得高性能的锂离子电池正极材料的基础研究具有一定的科学意义。