多维网络结构磷酸基复合正极材料的构造及其构效关系

The phosphate-based materials are the preferred cathode for power battery because of their outstanding advantages in resources, safety, environment and cost. Some effective measures such as carbon coating, lattice doping and co-modification, have been extensively applied for increasing their electronic conductivity and ion diffusion. However constructions of multi-dimensional network structure for phosphate-based cathode materials via natural carbon precursor have been seldom reported. Adopting the invasive and induced group for the breakthrough, employed the natural carbon precursor for the matrix, this project aims to construct phosphate-based composite with multi-dimensional network structure by grouped induce and infiltration self-assembly. The stability and integrity of the precursor structure, and the influence of infiltrated and induced evaporation self-assembly on the structure of multidimensional network structure will be investigated. The formation mechanism of multi-dimensional network structure will be explored by analyzing the phase constitution and distribution of materials. Based on the formation mechanism, and the analysis of the electrochemical performance, the structure-activity relationship between the structure and performance of materials will be dissected. This project will study the change of the basic parameters of the electrochemical system and the electrode kinetics, proven electronic conduction and ion transport rule, expound the mechanism of the electrochemical transmission, reveal the mechanism of the improved electrochemical performance. The successful implementation of the project will provide a reliable theoretical basis for the modification research of phosphate-based cathode materials, and provide a new idea for the design and development of new materials.

磷酸基正极材料在资源、安全环保、成本等方面具有突出的优点，是动力电池首选材料。针对该材料电子导电和离子扩散差的问题，采用碳包覆、晶格掺杂和复合改性方面已进行了深入的研究，但利用特殊结构的天然碳前驱体构造多维网络结构的磷酸基复合材料还鲜见报道。本项目旨在以浸润性和基团诱导为切入点，以天然碳前驱体为基体，通过基团诱导和浸润自组装构造出具有多维网络结构的磷酸基复合材料。考察前驱体结构的稳定性和完整性，诱导和浸润蒸发自组装对多维网络结构磷酸基复合材料结构的影响；分析复合材料相的分布和组成，探索多维网络结构的形成机制；从形成机制出发，结合宏观电化学性能，剖析材料结构和性能之间的构效关系；探讨电化学系统和电极动力学过程基本参数的变化，探明电子传导和离子传输规律，阐述电化学传输机理，揭示电化学性能的改善机制。本项目成功实施为磷酸基正极材料的改性研究提供可靠的理论依据，也为新材料开发提供新的设计思路。

磷酸基正极材料(LiFePO4，LiMnPO4，Li3V2(PO4)3)因成本低、环境友好、安全性高、高温循环性能和稳定性好等优点备受关注。磷酸基正极材料的应用对降低电池成本，提高电池安全性，扩大锂离子电池的应用领域，促进锂离子电池大型化、高功率化具有重大意义。然而，磷酸基正极材料受自身结构的限制，电子导电率、离子扩散系数及振实密度较低阻碍了其工业化应用，因此，如何提高磷酸基正极材料的高倍率放电性能成为其研究的焦点。本项目主要通过外力辅助浸渍法和生物质前驱体诱导等制备磷酸基正极材料。.通过外力辅助浸渍法和生物质前驱体诱导制备Li3V2(PO4)3复合材料。在外力辅助和生物质基体的强极性基团诱导下经浸渍法能够得到各种各样结构的Li3V2(PO4)3/C复合材料。通过外力诱导和浸渍时间的通过可以实现纳米晶的诱导成核-取向生长、掺杂改性及形貌和长径比的调控，制备出具有空心同轴结构Li3V2(PO4)3/C复合材料，具有莲藕状结构的Li3V2(PO4)3/C复合材料，具有氮掺杂的多种Li3V2(PO4)3/C复合材料。掌握外力诱导和浸渍时间制备技术，通过具有结构取向的生物质前驱体来实现Li3V2(PO4)3/C复合材料在电极极片上的有序取向组装，提高复合材料在极片上的压实密度，力争在高倍率下获得高比容量和长循环寿命。阐明在外力诱导和生物质前驱体作用下取向生长机理，建立取向生长模型；探索复合材料的界面扩散及导电机制，建立界面扩散及导电模型。.通过直链淀粉辅助蒸发自组装法制备得到三维网络结构的LiFePO4/C纳米线。这种结构的复合材料在0.1C倍率下的放电容量可以达到167mAh/g，而当倍率达到50C时放电容量为138mAh/g，而在此倍率下经过100次循环后容量保持仍高达92.8%。通过聚乙二醇为碳源诱导蒸发自组装制备得到三维泡沫结构的LiFePO4/C复合材料。此复合材料在1C倍率下放电容量可以达到150mAh/g，而在20C的倍率下的放电容量仍然有120mAh/g。.本项目以外力辅助、生物质前驱体诱导为切入点，通过浸渍法制备多维网络结构磷酸基正极材料。探索多维网络结构的结构特点和形成机制，结合复合材料的宏观电化学性能，建立工艺-结构-性能之间的构效关系，为原料的选择、工艺和结构的调控和性能的预测提供可靠的依据。