缺锂型硅酸亚铁锂介孔正极材料的可控合成及储锂机制研究

Li2FeSiO4 has attracted lots of attention as cathode material for Li-ion battery due to its high performance and low cost. Unfortunately, the key problem of low conductivity has limited its further applications. In this project,on the basis of our previous work and defect chemistry theory,mesoporous Li2-xFeSiO4 will be synthesized via ordered mesoporous silica as silicon source.This project focuses on the formation mechanism and determining the control steps of lithium deficiency in Li2FeSiO4. The relationship between the lithium deficient composition and performance of as-prepared material will be investigated and then the in-depth study of internal reasons of lithium deficient effects based on the electronic structure and crystal structure will be further discussed.The plateaus, structural and phase variations during the first several lithium insertion/extraction process will be studied and lithium storage mechanism of Li2FeSiO4 will be summarized.This project will develop the defect chemistry and preparation method of inorganic compounds from theory to practice.

凭借高性能和低成本的优势，硅酸亚铁锂成为了当前锂离子电池领域的研究热点，但是低的电导率成为制约该材料应用的首要问题。本项目拟在已有工作基础上，基于缺陷化学理论，以有序介孔二氧化硅为硅源设计合成缺锂型硅酸亚铁锂介孔材料。重点研究材料中缺锂的形成机制，确定其控制步骤；探讨目标材料中缺锂的组成与性能关系，从而深入研究缺锂效应的内在原因，揭示缺锂对硅酸亚铁锂本体电子结构和晶体结构的影响；考察缺锂型硅酸亚铁锂的前几次锂离子脱嵌过程中电位平台、结构及物相变化规律，总结材料的储锂机制。本项目将从理论和实践两个层面丰富无机材料的缺陷化学理论和相应的制备科学。

本项目系统考察了溶胶-凝胶法合成硅酸亚铁锂/碳复合材料过程中碳含量因素影响；在此工作基础上采用溶胶-喷雾干燥法制备介-微孔硅酸亚铁锂/碳复合材料，系统研究了碳含量和溶液浓度对材料结构、形貌和性能的影响规律，探讨了介-微孔结构的形成机理；通过控制原料配比，合成一系列缺锂型硅酸亚铁锂/碳(Li2-xFeSiO4/C，x=0.01，0.03，0.05，0.07，0.09，0.1)介-微孔复合材料，系统研究和分析总结了缺锂量对材料结构、形貌和性能的影响规律，证实了缺锂型硅酸亚铁锂为纯相，无杂质生成，晶体结构中铁仍以Fe2+形式存在，可能伴随氧空位的存在维持电荷平衡。利用石墨烯掺杂修饰制备了硅酸亚铁锂/碳/石墨烯介-微孔正极材料，相关材料的储锂性能与循环稳定性能均得到了显著提高。通过锂位掺杂制备Li2-xNaxFeSiO4/C介-微孔复合材料，对钠掺杂影响机理进行深入研究。在硅酸亚铁锂材料之外，我们先后制备了钛酸锂和钛酸锌锂用于储锂领域，这些工作对项目是很好的延伸，丰富了研究体系并取得了良好的学术成果。