高性能锂离子电池复相正极材料xLi2MnO3･(1-x)LiMO2@LiMPO4(M=Fe、V)的结构设计及性能调控基础研究

Lithium-rich layered material is one of the most promising candidates of cathode materials for next-generation electric vehicles. However, one of the major issues that pertains to this material is the oxygen release during initial charge, which results in low initial coulombic efficiency, intense electrolyte oxidation and thermal instability. In this study, lithium phosphate with excellent thermal stability and rate performance is used to modify the lithium-rich layered material. The optimum synthetic scheme, the formation procedure mechanism, the structure properties and the microstructure control are to be studied. This research is to clarify the formation procedure mechanism, the relationship between structure properties and the electrochemical performances. And to acquire the inhabitation mechanism of the surface activity of the material modified by phosphate.

富锂层状材料具有原料来源广、成本低、放电比容量高（200～300mAh/g）等优点，是极具发展前景的正极材料。然而，该材料在首次充电过程中释放出氧气，导致首次效率低和安全隐患。针对该缺点，本项目拟采用具有优良安全性和倍率性的磷酸盐正极材料（LiFePO4、Li3V2(PO4)3）对其进行改性，合成一种复相正极材料，一方面利用磷酸盐材料优异的结构稳定性，抑制富锂材料表面活性，提升材料的热稳定性；另一方面利用磷酸盐的大倍率性能，对电流进行分流，提升材料的倍率和循环性能。探索最优材料合成设计方案，得出合成过程反应机理，实现复相材料的高效可控制备；剖析复相材料的结构特征，构建结构特点与材料性能之间的“构效关系”； 阐明磷酸盐包覆层对富锂材料表面活性的抑制机理，对大电流充放电过程中的分流效应，得出复相结构对材料性能的具体作用机理；为合成新型锂离子电池复相正极材料提供相关理论参考和产业化技术原型。

富锂锰基层状材料具有成本低和放电容量高等优点，是极具发展前景的锂离子电池正极材料，然而其首效低、电压衰减、倍率性能、循环性能和热稳定性不佳等。本项目研究了富锂锰基材料的设计合成与结构调控，采用纳米氧化物、钙钛矿相、La-Co-O化合物对其进行改性，稳定其表面结构，提升其首效，改善其倍率性能，缓解材料在循环过程中的电压衰减，提升其循环稳定性。并采用磷酸盐（LiFePO4、Li4MnV2(PO4)4、Li1.3Ti1.7Al0.3(PO4)4等）对其进行包覆，研究了包覆方式、包覆量、热处理条件等对材料微结构、相结构和表面结构特征的影响，明确了材料的合成方案，得到了合成反应过程中的机理及电流分流机制。复相材料不仅继承了富锂锰基的高容量，同时具有良好的热稳定性以及结构稳定性，相比于单一组分，复相材料的容量更高，循环性能更佳。复合材料在0.2 C放电克容量≥250 mAh g-1，1 C放电容量≥225 mAh g-1，首次充放电≥85%，循环200圈容量保持率≥95%，循环400圈后容量保持率仍≥90%。本研究为合成新型锂离子电池复相正极材料提供了相关的理论参考和技术原型。