硼、氮掺杂纳米碳复合多孔磷酸铁锂材料的储能特性与嵌锂机制研究

LiFePO4 is currently the most promising cathode material for lithium-ion power batteries, however, it's high-rate performance can't fully meet such requirements for the limited conductivity of both electrons and lithium ions. In this proposal, to improve the transport channels and paths of electrons and lithium ions in the electrode materials and effectively increase the high-rate performance, LiFePO4 is designed as a porous material, along with the introduction of novel nano carbon conductive networks of boron and nitrogen doped graphene and carbon nanotube. The structure evolution mechanisms of porous LiFePO4 and the doping processes and mechanisms of nano carbon materials will be systematically explored. The physical chemistry conditions and forming mechanisms of porous LiFePO4 and doped nano carbon composites by the vacuum freeze-drying technique will be explored, and the phase forming processes, the pore evolution laws and the interactions between components will be clarified. The energy storage characteristics of the porous composite materials will be revealed, the transport processes and mechanisms of electrons and lithium ions in the porous composites will be studied, and the corresponding physical models will be constructed. A small prototype of lithum-ion power battery based on the optimized nano carbon porous composite cathode materials will be constructed and the practical application performance will be investigated. The results will lay the foundations and provide reliable theoretical bases for deeply understanding the porous composite electrode systems and effectively improving the overall performances of lithium ion power batteries.

磷酸铁锂（LiFePO4)是目前锂离子动力电池最具有潜力的正极活性材料，但存在因电子、锂离子导电性不够导致的高倍率性能不能满足要求的问题。本申请拟将磷酸铁锂设计成多孔材料，并在其中引入新型纳米碳导电网络硼、氮掺杂的石墨烯与碳纳米管，以同时改善材料中电子和锂离子的传输通道与途径，有效提高其高倍率性能。拟系统探索多孔磷酸铁锂材料的结构演变机制及纳米碳材料掺杂的过程与机理，探索结合真空冷冻干燥技术制备硼、氮掺杂纳米碳复合多孔磷酸铁锂材料的物理化学条件及形成机理，探明复合材料的相形成过程、孔演变规律、组分间相互作用等机制，揭示多孔复合材料的储能特性，明确其电子、锂离子传导的过程与机制并建立相应的物理模型，构建以优化的纳米碳复合多孔活性材料为正极的小型锂离子动力电池原型并考察其实际应用性能。研究结果为深入理解多孔复合电极体系、有效提高锂离子动力电池的综合性能奠定基础并提供可靠的理论依据。

橄榄石型磷酸铁锂（LiFePO4）具有原料来源广泛、环境友好、价格低廉、理论容量以及工作电压较高、放电平台平稳、循环与安全性能优异等特点，是极具发展前景的新一代锂离子电池正极材料，目前已在便携式电子产品中得到广泛应用，并逐步在电动汽车动力电池中普及。然而LiFePO4较低的电导率、锂离子扩散速率限制了其在动力电池中的广泛应用。提高电导率和锂离子扩散速率，成为LiFePO4正极材料实用化的关键。本项目从LiFePO4的形貌结构控制和硼、氮掺杂纳米碳方面切入，设计了一系列LiFePO4-纳米碳复合材料，通过系统的结构、形貌与电化学表征研究LiFePO4正极材料的嵌锂机制和储能特性，取得了一些有意义的研究成果。首先，采取冷冻干燥模板法、定向冷冻干燥法、溶胶-凝胶法等方法系统探索了有序、无序多孔LiFePO4材料的制备过程，分析了多孔材料表面积和孔属性等对材料嵌锂特性的影响机制，明确了多孔活性材料结构、性能的相互关系及内在机理。其次，设计并研究了硼、氮掺杂石墨烯的制备过程与形成机理，探明了掺杂剂浓度、价态、构型及与纳米碳的结合方式，明确了反应过程与条件对石墨烯硼、氮掺杂机制的影响与规律。再次，实现了不同组分掺杂石墨烯、碳纳米管-多孔LiFePO4复合体系的制备，探明了结合真空冷冻干燥等技术在多孔材料中均匀穿插石墨烯、碳纳米管的规律，以多孔属性和均匀穿插导电网络的协同作用较大幅度提高电子和锂离子的传输通道和能力，提高活性材料的利用率，从而综合提高材料比容量、倍率性能和循环性能，并探明了多孔LiFePO4-掺杂石墨烯、碳纳米管复合体系结构、性能的相互关系及储能特性和嵌锂机制，构建了相应的物理模型。最后，设计、组装出软包锂离子电池并评价其应用效果，为复合体系的实际应用提供了一定的基础性认识。本项目的系列研究结果为多孔LiFePO4-纳米碳复合体系的设计与研究提供了新思路，相关材料设计与合成方法有望拓展至其它电极材料的设计与优化，在锂离子电池、燃料电池和超级电容器等领域具有重要的应用前景。