石墨烯/LiMPO4(M=Mn,Fe)原位复合结构的制备及其锂离子电池领域的应用

石墨烯具有高比表面和优良的导电性，与LiMPO4（M=Mn、Fe）锂电池正极材料在分子水平上有效复合，能够显著改善材料电化学性能。利用LiMPO4反应物与氧化石墨烯层间极性键作用形成插层型复合物前驱体。依据石墨烯、LiMPO4制备方法的一致性和相容性，研究高温固相合成和水热合成条件下，LiMPO4生成、氧化石墨烯还原过程的协同反应机制，制备一系列LiMPO4/石墨烯复合材料。阐明不同合成方法、合成条件对LiMnPO4/石墨烯复合材料的相组成、微观结构和形貌、及其电化学性能的影响；阐明过渡元素掺杂对复合材料导电性能、离子扩散能力及其电化学性能的影响。从理论上建立LiMPO4/石墨烯相互复合的模式及其复合机制，反过来优化实验合成方法、合成条件，获得1-2种具有较高充放电容量、适于大倍率充放电的LiMPO4/石墨烯复合材料；在LiMPO4系复合型正极材料研究中，获得拥有自主知识产权的创新成果。

近年来太阳能、风能等清洁能源的广泛使用，相应储能单元（蓄电池）迫切需要能量密度高、使用寿命长、环境污染小的新型储能材料。开发环保、低成本、高能、结构稳定的新型锂电池能源材料，发展相应制备方法是近年来锂离子电池研究的主要方向。橄榄石型的LiMPO4（M＝Fe、Mn）系正极材料（以下简写为LiMPO4）具有价廉、环境污染小、工作电压适中、电容量大、可快速充放电、循环寿命长等优点，成为引发锂离子电池重大变革的一类新材料。. 围绕反应物相对含量、前驱体制备、合成反应条件对复合材料相组成、结构、电化学性能的影响，该项目完成了：（1）完善石墨烯制备的方法，合成了磷酸钒锂与石墨烯原位复合材料。首次提出石墨烯显著提高正极材料大倍率充放电能力的模型，从本质上解释了石墨烯与传统碳包覆对倍率性能影响的关键因素。（2）采用静电纺丝及碳热还原法合成锰氧化物与碳纤维原位复合材料。锰氧化物均匀的分散在碳纤维内，碳纤维内部提供了一个缓冲空间，有效防止充放电过程中金属氧化物嵌入/脱出锂所产生的体积膨胀/缩小，避免了负极材料的相互团聚而失活。（3）研究了磷酸锰锂前躯体Mn3O4的合成条件对材料形貌、电化学性能的影响，同时采用石墨烯进行有效复合研究。发现氧化石墨烯与氧化锰复合材料的表面基团有效提高电荷迁移能力，表现出优良的超级电容性能；然而石墨烯与氧化锰复合材料却表现出优良的锂电池负极性能。课题组构建相关模型，系统阐明相关机理。（4）系统研究了0.95LiMn0.95Fe0.05PO4·0.05Li3V2(PO4)3复合材料的合成方法、及其微观复合结构。相比于V掺杂LiMPO4材料，Li3V2(PO4)3复合起到提高LiMPO4材料电化学性能的关键作用，在5C倍率，磷酸锰铁锂与微量磷酸钒锂的复合材料具有优良的比容量和倍率性能。