自组装制备固定化微/纳结构高性能锂离子电池正极材料的研究

Development of high performance new-type cathode materials is the key to enhance the energy density of Lithium-ion battery, while the properties of materials are closely related with their structural characteristics.Due to the combined advantages of high dynamic properties for nanostructure and good structural stability for microstructure, micro/nano- structured materials become one important development direction of future new-type cathode materials. However, current micro/nano- structures may vary from one to the other because of their different characteristics, and the consistency of nanostructures are always quite difficult to be guaranteed on the macroscopic scale.Therefore, it is assuredly a most important subject for searching and developing new preparation methods and its mechanism in research of micro/nano- structured materials. Based on previous experiments, this study aims to construct immobilized micro/nano- structured cathode materials by self-assembly of block copolymers. During this process, we'll investigate the mechanism of micro-phase separation and the priciple of immobilization which can provide guidance for the design and construction of micro/nano- structure. On the basis of learning the mechanisms of synergetic self-assembly process as well as the relationship between the performance and structure for the cathode materials, we'll illustrate the effect of the structure design, raw material selection and preparation conditions on the electrochemical performance of the cathode materials. Those exploration may provide theoretical guidance for the regular design and applications of new-type micro/nano- structured cathode materials for high performance lithium-ion batteries, and also provide new ideas and experiences for the development of high energy materials with other structures.

发展高性能新型正极材料是提高锂离子电池能量密度的关键，而材料的性能往往与其结构特征密切相关。具有微/纳复合结构的材料结合了纳米结构单元的动力学优势和微米材料良好结构稳定性的特点，成为未来新型正极材料发展的一个重要方向。但目前微/纳复合结构仍因不同材料性质的差异而存在各异性，且在宏观尺度上很难保证所有形成纳米结构单元的一致性。因此，探寻和发展新的制备方式及其形成机制，是微/纳复合结构材料的研究重点。本课题在前期实验基础上，采用自组装方法制备固定化微/纳结构新型正极材料,探索自组装过程中嵌段共聚物的微相分离机制及其固定化原理，指导微纳结构的设计和构建；在掌握协同作用自组装机制的基础上，依据性能和结构的相应关系，阐明结构设计、原料选择和制备条件的优化对材料电化学性能的影响，为具有固定化微/纳结构高性能锂离子电池新型正极材料的规律性设计和应用提供理论指导，也为发展其它结构高能材料提供新思路和借鉴。

发展高性能新型正极材料是提高锂离子电池能量密度的关键，而材料的性能往往与其结构特征密切相关。具有微/纳复合结构的材料结合了纳米结构单元的动力学优势和微米材料良好结构稳定性的特点，成为未来新型正极材料发展的一个重要方向。但目前微/纳复合结构仍因不同材料性质的差异而存在各异性，且在宏观尺度上很难保证所有形成纳米结构单元的一致性。因此，探寻和发展新的制备方式及其形成机制，是微/纳复合结构材料的研究重点。. 在项目支持下，我们设计和构建了一系列适合的微/纳结构正极材料，选定几种代表性材料进行了结构的表征和基本电化学数据的收集，弄清了嵌段共聚物制备微/纳结构的自组装行为及各组分的协同作用机制，掌握了嵌段共聚物自组装制备固定化微/纳结构新型正极材料的规律性设计及应用，发展了2～3类高性能新型正极材料体系。. 我们通过嵌段共聚物自组装的方法首次制备了微/纳结构LVO3正极，实现了高容量稳定的循环，且具有优异的倍率性能。同时，我们也首次揭示了LiVO3正极的嵌脱锂机制。此外，我们在LiVO3中引入Na+进行掺杂，扩大了层间距，提高了Li+在层间的迁移速度，从而改善了LiVO3的倍率性能。我们对LiVO3结构、嵌脱锂机制以及改性的系统研究在国内外尚属首次，为同领域其他研究者提供了理论和数据的支撑。. 我们采用嵌段共聚物自组装的方法，首次制备了具有介孔结构的中空LiFeBO3/C球，展现出优异的电化学性能。特别要强调的是，与其他已报道的LiFeBO3相比，介孔中空LiFeBO3/C球具有非常高的结构稳定性。本工作为发展高稳定、高性能的LiFeBO3新型正极材料提供了新思路。. 最近，我们通过嵌段共聚物自组装的方法首次制备了微/纳结构LiV3O8和NaV3O8正极，该结构兼顾了材料的高容量，高倍率和高循环稳定性，综合电化学性能远超过目前所报道的同类材料。. 以上典型结果说明通过嵌段共聚物自组装制备高性能微/纳结构正极材料能为下一代锂离子电池电极材料的发展提供借鉴。