高倍率Li4Ti5O12基负极材料设计、性能、应用及其界面行为研究

本课题采用第一性原理计算，研究Li4Ti5O12的热动力学性质及其力学参数，研究缺陷及掺杂离子对材料电子结构和电化学性能的影响，从而确定高电子电导率Li4Ti5O12基材料的掺杂离子种类及位置。根据理论计算结果，合成Li4Ti5O12及其掺杂材料，研究合成方法、合成气氛、掺杂离子、晶格缺陷对材料电导率、Li+扩散系数、倍率放电性能和热稳定性的影响；研究材料在宽电位窗口下的电化学性能，确定其Li+嵌入脱出动力学；研究Li4Ti5O12基材料表面SEI膜的组成、热稳定性、形成机理及其与充放电制度的关系，确定SEI膜和嵌锂材料的热稳定性及其过充放电时的安全性；采用Li4Ti5O12材料包覆正极材料，研究其电化学性能及其与电解液界面的稳定性，以及包覆后正极材料的安全性及Li+嵌入脱出动力学。课题研究有助于丰富动力锂离子电池电极材料的科学研究内涵，促进Li4Ti5O12材料性能的提升和推广应用。

低的价格和高安全性使Li4Ti5O12成为极有应用潜力的负极材料。但该类材料的电导率低、倍率性能差，限制了它在锂离子电池特别是动力电池领域的应用。本项目采用第一性原理计算研究了尖晶石钛酸锂的热动力学性质及其力学参数，从理论方面研究了钛酸锂的热稳定性。根据理论计算结果，采用高温固相法合成了Zn2+、La3+、Zr4+、Nb5+及Mo6+掺杂的Li4Ti5O12材料和Ag改性的材料，研究了材料在宽电位窗口下的电化学性能，确定了其Li+嵌入脱出动力学；研究了Li4Ti5O12及其掺杂材料表面SEI 膜的热稳定性、形成机理及其与充放电制度的关系。研究了不同的合成气氛对Li4Ti5O12材料结构和电化学性能的影响。采用溶胶凝胶法合成了Li4Ti5O12包覆商品化LiCoO2材料和尖晶石LiMn1.5Ni0.5O4材料，研究了包覆材料的结构和电化学性能，并探讨了包覆材料电化学性能提高的机制。结果表明，LiTi2O4和Li4Ti5O12均具有较高的热稳定性，适合作为动力锂离子电池负极材料，前者具有更高的热稳定性。Zn2+、La3+、Zr4+、Nb5+及Mo6+掺杂均提高了Li4Ti5O12的循环性能、过放电性能及倍率放电性能，放电至0 V时其可逆容量仍然高达220 mAh•g-1。在第一次放电过程中，Li4Ti5O12及其掺杂材料表面SEI 膜主要在0.7 V左右(vs. Li+/Li)形成，并具有较好的热稳定性，说明它们过放电时，仍具有较高的安全性。高倍率放电时，Li4Ti5O12的循环性能急剧下降，但是掺杂材料仍具有较好的循环性能，这与掺杂材料具有较高的离子和电子电导率有关。在还原性气氛中合成的Li4T5O12具有较多的Ti3+，增加了电子的数量，进而提高了电子电导率，具有较好的锂离子嵌脱可逆性。Li4Ti5O12包覆能减少正极材料与电解液的直接接触面积、减少电解液中游离HF的含量以减轻材料中金属离子的溶解，有利于正极材料的锂离子可逆脱嵌。正极材料的表面包覆是改善其电化学性能和热稳定性的有效手段之一。本课题研究有助于丰富动力锂离子电池电极材料的科学研究内涵，促进Li4Ti5O12材料性能的提升和推广应用。