介孔Al2O3/聚并苯包覆富镍型正极材料的构筑及深度脱嵌锂性能研究

The cathode material with high energy density and high power density is a key constituent of high-performance power battery. Nickel-rich cathode material has high capacity, but the rate performance decrease, and the capacity fading accelerates during the deep lithium intercalation/deintercalation under high voltage (more than 4.6V). This project intends to construct oxide/conductive polymer double-coated layers on the surface of doped layered nickel-rich oxide cathode material using hydrothermal method. The inner layer is superior electron acceptor polyacene (PAS), and the outer layer is the well-crystallized mesoporous Al2O3. Through investigating the effect of double coated structure on the in-deep lithium intercalation/deintercalation characteristics of nickel-rich cathode materials under the high voltage, elaborate the inhibitory effect of double-coating on phase transition of the material, in order to improve the conductivity and structure stability of Nickel-rich layered cathode materials. The successful implementation of this project will provide high-performance cathode materials for the development of high-performance power battery, to provide new ideas and theoretical guidance for the development and application of nickel rich layered oxide materials.

高能量密度和高功率密度正极材料是高效能动力电池的关键组分。富镍型正极材料容量高，但在高电压下（≥4.6V）深度嵌脱锂时倍率性能降低，容量衰减加快。本项目拟采用水热法在掺杂型富镍层状氧化物正极材料表面构筑氧化物/导电聚合物双包覆层。内层为优良的电子导体聚并苯（PAS），外层为稳定的介孔结晶相Al2O3。通过研究双层包覆结构对富镍型正极材料高电压下深度嵌脱锂特性的影响，阐述双层包覆对材料相转变的抑制作用，旨在提高富镍型层状氧化物正极材料在深度脱嵌锂时的导电性以及结构稳定性。本项目的成功实施将为高效能动力电池的发展提供高性能正极材料，为富镍型层状氧化物材料的开发应用提供新的思路和理论指导。

富镍层状三元材料容量较高，循环寿命较长，安全性能良好，是非常有前途的高能量密度动力电池正极材料。为了解决其在高电压下结构稳定性差和高倍率下容量衰减快的缺陷，本项目提出并研究了KCl掺杂和Al2O3/PAS双层包覆协同改性的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2材料。项目按照项目研究计划，顺利完成了项目研究目标。课题组发表与富镍层状正极材料相关的学术论文9篇，授权发明专利1项，培养本科生1名，5名研究生参与本项目的工作；项目经费使用合理。具体研究结果如下：（1）研究了K和Cl离子共同掺杂对层状LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料性能的影响。通过结构分析和精修可知，掺杂材料具有较高的阳离子有序度和完整的层状结构。掺杂后样品中的K和Cl离子分布均匀，提高了锂离子扩散系数。1%摩尔比K+锂位掺杂的LiNi0.5Co0.3Mn0.2O2样品具有更好的综合电化学性能，0.1C首次可逆容量为209.1mAhg-1，1C循环100次后容量保持率为83.0%。掺杂抑制了高电压下电极材料反复循环后样品微区的相转变，稳定了晶体结构。（2）采用异丙醇铝作为铝源，通过水热法在掺杂改性的LiNi0.5Co0.3Mn0.2O2正极颗粒表面完整的包覆了Al2O3纳米片。经过分析后发现，Al2O3包覆层能够有效的抑制电解液对正极材料的腐蚀，降低极化，改善正极材料的电化学容量和循环性能。（3）采用酚醛树脂高温热解和液氮快速冷却法得到了PAS包覆的正极材料。PAS包覆层可以快速高效的传输电子，使得电极/电解液界面的物质交换过程能够快速进行，降低界面膜电阻与电荷转移电阻，提高放电比容量。（4）在体相掺杂钾和氯的基础上，协同构建了由内层聚并苯和外层多孔Al2O3组成的双层包覆结构。结果表明，独特的双层包覆结构能够改善LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料的电化学性能，0.1C倍率下具有214.4mAhg-1的首次可逆容量，1C容量提高了10mAhg-1，容量保持率达89.2%。这种双层包覆结构的构建能够为下一代锂离子电池提供了具有优异电化学性能的高电压正极材料。