富锂固溶体正极表面膜的构筑及其对电极性能的影响机制研究

High capacity lithium ion battery has become the current hot topic, especially, li-rich solid solution cathode material gets intensive attention due to the high capacity. However, this material has high reversible insertion/extraction voltage (4.6V), and the redox dynamics at the electrode/electrolyte interface still unclear, which would block its application in the traction battery field.The project studied the influence of storage in the surface comosite/structure of 0.5Li2MnO3﹒0.5Li[Ni1/3Co1/3Mn1/3]O2, and the film formation /evolution mechanism during charge/discharge cycling was investigated by combination of thin film electrode, the relationshio between surface film and electrode electrochemical performance was established.Based on those, additied and organic solvent were adopted to adjust the composite, structure of surface film, improve the stability of electrode/electrolyte interface. DFT based quantum chemistry calculations were employed to understand the functional control of surface film and its interaction mechanism towards electrode reaction dynamics.The implementing of this project will enrich the theory of electrode surface dynamics and promote the commercilization of li-rich solid solution cathode material.

高能量锂离子电池是目前的研究热点，富锂固溶体材料由于高可逆比容量而受到广泛关注，但是该类材料可逆脱锂电位较高（4.6V），材料的电极/电解液表界面处的反应动力学问题还不清楚，这将限制它在锂离子电池尤其是动力锂离子电池领域的应用。本项目主要研究0.5Li2MnO3﹒0.5Li[Ni1/3Co1/3Mn1/3]O2材料的表面膜在贮存、充放电循环过程中组成、结构的演化规律，结合薄膜电极表面膜的成膜机理，建立表面膜与电极电化学性能的关系。在此基础上，通过添加剂及有机溶剂来调节表面膜的组成、结构，改善电极/电解液表界面的稳定性，结合基于密度泛函理论的量子化学计算，深入理解添加剂对表面膜功能调控的机理及其对电极反应动力学的影响机制。本项目的实施将丰富电极表面动力学理论，推动富锂固溶体材料的商业化应用。

锂离子电池由于具有较高的比能量、无记忆效应、自放电低等优点近年来广泛应用于电动车、储能以及移动电子设备，电动车领域的迅猛发展迫切需要更高比能量的锂离子电池。正极材料是限制高比能量锂离子电池发展的关键因素之一，富锂锰基正极材料由于具有较高的容量（＞250mAh/g）、高电压、价格低廉、较好的安全性等优点而备受关注，但是该材料的循环稳定性、倍率性能等限制了材料的实际应用。另外，材料本身结构复杂，电极/电解液的界面动力学问题并不清楚，本项目研究了0.5Li2MnO3•0.5Li[Ni1/3Co1/3Mn1/3]O2 表面膜组成、结构在电池循环过程中的变化，研究了材料表面膜的性能与材料电化学性能的关系，并在此基础上，取得以下成果：（1）研究了有机溶剂FEC作为溶剂和电解液添加剂对此材料表面膜的组成、结构的影响，尤其是对材料高温及常温电化学性能的影响；（2）研究硼基添加剂对电极表面膜组成、结构的影响，并解析了硼基阴离子受体对表面膜的改性机制，以及硼基添加剂的防水防酸作用。（3）研究了膦基类添加剂和电聚合添加剂对电极材料表面膜的改性机制，以及该添加剂对电极电化学性能的提高。本项目的实施为富锂固溶体材料选取合适的有机电解液体系和功能添加剂提供借鉴，丰富电极表面动力学理论，推动富锂固溶体材料的商业化应用。目前已经完成项目书中承诺的研究成果：已经发表SCI论文8篇，另外还有4篇文章正在撰写和投稿；会议论文7篇；申请专利5项，其中1项授权，其他4项受理；培养硕士生3名，支持本科毕业设计3次。在本项目的实施基础上，得到国家留学基金委CSC支助进行长期国际交流一次。