LiAlO2/C多级壳层表面修饰LiMnBO3复合纳米材料的可控制备及电化学性能调控

LiMnBO3 shows a good combination of large specific capacity and superior safety performance. However, it exhibits some problems including ‘air sensitive effect’ on the surface and low conductivity, which limit its use. This study is to eliminate or relief the ‘air sensitive effect’ on the surface of LiMnBO3/C nanocomposite by design of multi-shell structure LiAlO2/C surface modified LiMnBO3/C to block the air. To improve the structural stability and cycle life of LiMnBO3 by inhibiting the dissolution of Mn controlled by multi-shell structure LiAlO2/C surface modification. To improve the diffusion rate of lithium ions by the surface modification and nanocrystallization of LiAlO2 fast ion conductors. To enhance the electronic conductivity by doping surface modification layer with the Mn and Al in the core and nano-carbon assisted modification. The aim of this study is to obtain a clear understanding of the inhibition mechanism of ‘air sensitive effect’ by multi-shell structure LiAlO2/C surface modification, the dissolution and inhibition mechanisms of Mn, the mechanism of assisted modification between core and shell, therefore to establish the relationship between multi-shell structure of LiMnBO3/LiAlO2-C and the electrochemical properties, to design and prepare multi-shell structure LiMnBO3/LiAlO2-C nanocomposite with superior electrochemical properties and to inspire the development and application of novel lithium ion batteries.

LiMnBO3具有比容量大、安全性能好等优点，但存在的表面“空气敏感效应”和较低的电导率制约了其应用。本项目通过LiAlO2/C多级壳层对LiMnBO3进行表面修饰构建多级壳层结构，从而阻隔空气，消除或缓解材料表面的“空气敏感效应”；抑制Mn的溶解，提高LiMnBO3的结构稳定性和循环性能；利用LiAlO2快离子导体表面修饰和纳米化提高锂离子扩散速率，利用壳层与内核中Mn、Al相互掺杂以及纳米C提高电子电导率，从而达到协同改性的作用。通过研究，明晰LiAlO2/C多级壳层表面修饰抑制材料表面 “空气敏感效应”的作用机理，Mn的溶解机制和抑制机理，以及壳层与内核协同改性的作用和机理，从而构建LiMnBO3/LiAlO2-C多级壳层结构与电化学性能的调控关系，设计并制备出电化学性能优异的LiMnBO3/LiAlO2-C多级壳层复合纳米材料，为新型锂离子电池的开发和应用提供新思路。

硼酸盐系材料(LiMBO3, M = Mn, Fe)由于其高理论容量、高电压窗口、优异的热稳定性、较小的体积变化率、环境友好等优点被认为是一种极具发展潜力的锂离子电池正极材料之一，但是由于其“空气敏感效应”和电导率低的缺点限制了其发展。针对以上缺点，本论文的主要研究内容有：采用溶胶-凝胶法和喷雾干燥法以聚乙二醇-6000(PEG-6000)为碳源分别成功合成了六方晶体结构的硼酸锰锂和单斜结构的硼酸铁锂，优化反应制备温度和碳包覆量对材料的物相、形貌和电化学性能的影响，以及碳包覆层对材料“空气敏感效应”的保护作用；采用溶胶-凝胶法成功制备单斜结构的硼酸钴锂，优化反应制备温度和碳包覆量对材料的物相、形貌和电化学性能的影响。本项目通过LiAlO2/C多级壳层对LiMnBO3进行表面修饰构建多级壳层结构，从而阻隔空气，消除或缓解材料表面的“空气敏感效应”；抑制Mn的溶解，提高LiMnBO3的结构稳定性和循环性能；利用LiAlO2快离子导体表面修饰和纳米化提高锂离子扩散速率，利用壳层与内核中Mn、Al相互掺杂以及纳米C提高电子电导率，从而达到协同改性的作用。通过研究，明晰LiAlO2/C多级壳层表面修饰抑制材料表面 “空气敏感效应”的作用机理，Mn的溶解机制和抑制机理，以及壳层与内核协同改性的作用和机理，从而构建LiMnBO3/LiAlO2-C多级壳层结构与电化学性能的调控关系，设计并制备出电化学性能优异的LiMnBO3/LiAlO2-C多级壳层复合纳米材料，首次放电比容量200.2 mAh/g，循环70次后容量为196.7 mAh/g，达到了项目立项时提出的预期目标，为新型锂离子电池的开发和应用提供新思路。