掺杂BiFeO3锂离子电池电极材料的同步辐射原位构效关系研究

This project will apply synchrotron-based in situ X-ray diffraction and absorption spectroscopy to systematically investigate the structure-property relationship of doped BiFeO3 electrode materials during electrochemical cycling process and find the directions to further enhance their performance. Both A site and B site doping will be adapted. A site doping will include the doping of Li+, Ti3+ and A site vacancies, etc. B site doping will include the doping of Ce3+ and B site vacancies, etc. Further, employing synchrotron based in situ X-ray diffraction and absorption spectroscopy, the structural transformations of the doped BiFeO3 during electrochemical cycling process will be explored in details. Using the in situ cells developed, the oxidization/reduction process of the doped BiFeO3 will also be explored, and the structural transformations will be compared with those occurred during the electrochemical cycling process. Further, the structural transformations are correlated with their electrochemical cycling performance, and new directions to further enhance their discharge voltage, cycling performance and discharge capacity are expected to be established.

本项目将应用基于同步辐射的原位X射线衍射以及吸收光谱的方法，系统研究掺杂BiFeO3 体系锂离子电池电极材料在电化学循环过程中的构效关系，为进一步提升其性能指明方向。对于BiFeO3分别采取 A 位以及B 位掺杂，系统探讨提升其电化学性能的方法。其中 A 位掺杂包括掺杂Li+，Ti3+ 以及引入A位空穴掺杂等；B位掺杂包括掺杂Ce3+ 以及引入B位空穴等。进一步结合同步辐射原位X射线衍射以及吸收光谱的方法，应用自主研发的原位装置，分别从近程有序以及远程有序两个方面，对于掺杂 BiFeO3 电池电极材料在电化学氧化/还原以及化学氧化/还原过程中的结构变化做出深入的探索。结合其电化学循环性能，找出进一步提升其放电电位、循环性能以及放电容量的方向。

锂离子电池在各种便携式设备上已获大量应用，并已应用于各种油电混合动力以及电动汽车，提升锂离子电池容量能促进其在电动汽车中的进一步应用。对于锂离子电池的放电机理，一般认为承担电荷转移的为阳离子，但也有报道认为阴离子（氧离子）可以在电化学循环过程中承担电荷转移。 2013年Tarascon 以及Delmas 分别报道了有关可逆O2-/O- 氧化还原电对提高电池电极材料容量的例子，为锂离子电池电化学性能进一步优化提供了新的方向。 本项目针对钙钛矿体系材料较强氧离子活性的特点，将一系列氧离子活性材料（掺杂 BiFeO3 体系）材料成功应用于锂离子电池，探索其放电性能， 并应用基于同步辐射原位 X-ray 衍射以及吸收光谱，研究这些材料的放电机理。在对这一系列材料进行研究的过程中， 我们发现Bi 离子主要承担电荷转移，但特定材料体系(比如CeO2-Bi2Fe4O9) 具有特殊的放电机理，如O2 可以从Bi2Fe4O9 中释放出来，进而形成类似于 Li-O2电池，在 70 mAh/g 以前参与电化学放电过程。 这进一步阐释了氧离子的作用， 并为今后锂离子电池电极材料设计提供了新的思路。 一般掺杂BiFeO3材料体系的放电容量大部分在2 V以下，利用Li 以及 Ti 进行掺杂时，合成出来的材料呈具有2 V以上的放电电位，而且容量可达 100 mAh/g以上。