锂离子电池正极材料LiMnPO4的合成及其电化学性能研究

项目结合新疆资源优势和特殊的气候特征，以绿色化学理念为指导，针对锂离子电池材料LiMnPO4电化学过程中电子和离子导电率低的关键问题。从合成方法、电极过程动力学以及材料温度效应方面对LiMnPO4材料进行系统研究。在重点研究LiMnPO4材料的微波固相合成基础上，开展以LiMnPO4为本体的多壁碳纳米管陶瓷修饰电极、多酸修饰电极、碳湖修饰电极和聚多并苯复合电极的制备和材料改性研究。运用交流阻抗及循环伏安等电化学方法以及X射线粉末衍射，傅立叶红外和X光电子能谱等分析技术，从微观的角度分析材料合成方法、合成条件、掺杂与表面修饰以及环境温度对材料电化学性能的影响规律，揭示材料微结构或缺陷对材料电化学性能影响行为和材料电化学过程动力学机制。该研究项目，符合国家实施西部大开发战略，有利于发挥新疆矿物资源优势，使新疆资源优势转化为产业优势，研究成果对于开发新型能源材料具有很好的应用前景。

项目主要通过研究LiMnPO4材料新的合成方法、掺杂改性及表面修饰等技术途径来改善LiMnPO4材料的电化学性能。. 在材料合成方面。运用了微波辅助合成、绿色化学合成、新型溶胶-凝胶合成法。在微波辅助合成方法中，采用自行改装的微波回流装置和微波固相合成装置成功地合成了具有电化学性能的LiMnPO4材料。研究中发明了基于制备高性能锂离子电池材料和绿色合成工艺为出发点，开拓了低温固相合成技术，选择磷酸二氢锂和碳酸锰为反应原料体系制备锂离子电池用磷酸锰锂/碳复合材料的新方法。在克服传统的溶胶-凝胶技术所用原料多为有机化合物，成本较高，而且有些对人们的健康有害，反应涉及大量的过程变量，如pH值、反应物浓度比、温度、有机物杂质等会影响凝胶或晶粒的孔径(粒径)和比表面积，使其物化特性受到影响，从而影响合成材料的功能性。研究过程中发明了一种以有机醇和有机酸为分散体系的新型溶胶-凝胶技术合成具有较好电化学性能的LiMnPO4/C复合正极材料。. 在材料改性研究方面，采用溶胶-凝胶法合成了Fe和Mn可以任意比互溶形成LiMn1-xFexPO4 (0 < x < 1)固溶体正极材料，得到的固溶体可以释放出4.1 V平台的容量，并且具有很好的电化学性能。采用以类石墨烯碳材料(LGC)作为载体制备LiMnPO4/LGC复合电极和修饰电极。通过控制合成条件使LiMnPO4颗粒均匀负载在石墨烯碳材料形成三维网状结构中，以提高LiMnPO4材料的电子电导率以及活性物质的利用率，以二茂铁为催化剂，催化柠檬酸等碳源能有效提高材料的电化学性能；提出了具有电化学活性的LiMnPO4基固熔体（1-x）LMnPO4.xLi3V2(PO4)3/C新型复合材料。.在新型材料设计研究方面，基于采用多电子反应体系原理上研究小组在此项目基金资助下开展了新型绿色锂离子电池材料的设计和研究，已发现的新型锂离子材料有Li3M2(PO4)3(M=Ti、Mn、Fe、Cr、Bi、Mo)以及高容量锂离子电池材料如：Li9M3P8O29(M=Cr,Mo,W,V,Fe,Bi,Sb) 等.. 在研究成果方面，通过该项目在中文核心期刊上发表论文6篇，申请发明专利5项，招收硕士研究生11名。