锂离子电池富锂层状复合材料微纳结构的表征与第一性原理研究

富锂层状复合材料Li2MO3-LiTO2（M=Mn，Ti；T=Ni，Co，Mn，Fe，Al等）是一种高容量锂离子电池正极材料，是高能量密度电极材料的发展方向之一。但该材料在充放电过程中经历复杂的电化学特性变化，结构不稳定，循环性能差，倍率性能低，高容量优势显著降低。缺乏对该材料微纳结构的理解是制约提高其应用性能的关键环节，而纯粹实验手段迄今尚难以诊断原子层次的关键过程。本项目依靠我们发展的固溶体建模方法，采用第一性原理计算对富锂层状复合材料的微纳结构进行深入系统的研究，探讨该材料在电池形成过程中的相变动力学与热稳定机制，紧密结合实验表征手段，分析固溶相超结构中过渡金属元素的聚集特征与锂离子脱出嵌入过程的关系，从而揭示富锂层状复合材料的微纳结构与该材料基本物性之间的联系。这项研究不但为进一步发展该材料的改性技术提供理论指导思路，更为该材料在高能量密度锂离子电池中的应用奠定基础。

本项目以富锂层状复合材料Li2MO3-LiTO2为出发点，系统研究了嵌入化合物的电子结构，晶体结构及其与电池材料电化学性质的关系，提出了描述嵌入势的基本物理模型，建立了以金属氧八面体和金属四面体为结构基元的嵌入势数据库。本项目还发展出描述嵌入过程循环可逆性的第一性原理计算方法，阐述了莫特绝缘体带边态随锂离子嵌脱变化的物理机制。同时基于富锂层状复合材料的微纳结构与材料性能关系的研究，发展了一种新的富锂材料制备方法，并已获得我国发明专利授权。更进一步地结合所建立的固溶体建模方法，设计了一种新型固溶复合正极材料，已申请了PCT国际发明专利。本项目所建立的物理模型、数据库，不仅适用于正极材料的研究，而且可统一阐述正、负极电池材料在锂离子嵌入过程中能量转换、晶体结构和电子结构变化的本质差别，还对锂、钠、镁离子等金属离子嵌入化合物具有一般性的指导作用。