微米级单晶型锂离子电池高电压正极材料的燃烧合成及其微观形貌研究

High voltage spinel LiNi0.5Mn1.5O4 (LNMS) is considered as one of the most promising cathode material for Li-ion battery. It has an average voltage of 4.7 V and its energy density is estimated to be 700Wh/Kg (Vs Li). One of the problems is its too high operating voltage, so the electrolyte is easily decomposed on the interface. Therefore, it is necessary to synthesize micron-sized single-crystal material with low specific surface area which does not affect the rate performance. On the basis of previous preliminary study, micron-sized single-crystal LNMS materials will be synthesized via the polyvinylpyrrolidone (PVP) combustion method in the project. The influences of different synthesis conditions on the LNMS morphology and structure will be studied. Then the influences of the morphology and structure on the electrochemical properties and the process of intercalation and deintercalation of lithium will also be studied via physical characterization and electrochemical measurements. Further more, the impact of doping on the morphology and structure will be investigated. Finally micron-sized single-crystal LNMS with excellent electrochemical performance (20C capacity / 1C capacity will be greater than 95%, the capacity retention after cycling 200 times at 1C rate and room temperature will be greater than 98%, and the capacity retention after cycling 100 times at 55℃ will be greater than 95%) will be synthesized.

高电压的尖晶石型镍锰酸锂材料(LiNi0.5Mn1.5O4，缩写为LNMS)被认为是最有前途的新一代锂离子电池正极材料之一，对锂负极具有高达4.7V的工作电压和700Wh/Kg的能量密度。该材料问题之一是工作电压过高，电解液容易在界面发生分解，因此有必要合成低比表面积且不影响倍率性能的微米级单晶材料。本项目在前期初步研究基础上，提出以聚乙烯吡咯烷酮（PVP）燃烧法合成微米单晶LNMS材料。拟研究不同的合成条件对LNMS形貌和结构的影响，然后对这些不同形貌和结构的LNMS进行物理表征和电化学测试，研究形貌和结构对电化学性能和脱嵌锂过程的影响。再通过掺杂一些元素，进一步研究掺杂对形貌和结构的影响，最终合成出综合电化学性能更加优异（20C容量/1C容量大于95%，1C常温循环200次容量保持率大于98%，55℃循环100次容量保持率大于95%）的微米级单晶LNMS。

本项目研究了煅烧温度、煅烧时间、降温程序对产物粒径、微观形貌和结构的影响。研究了不同PVP的量对产物粒径和微观形貌的影响。通过计算机模拟的手段进行了粒径、扩散系数对材料倍率性能的影响研究。研究了Cr、Nb、Co掺杂对材料形貌以及结构和电化学性能的影响。根据国内外研究进展情况，增加了全电池的初步研究，全电池负极稳定性的研究，利用本项目的研究成果进行了一些扩展。研究发现不仅煅烧过程对材料形貌存在影响，Cr、Nb、Co掺杂对材料的形貌也有影响，Cr掺杂会使材料边角更明显，颗粒更小，而Nb掺杂则会使颗粒变得更为圆润，颗粒变大，Co掺杂则会减少较大的颗粒数量。合成的Cr掺杂样品15C/1C容量约92%，1C循环200次容量保持率97.6%，Co掺杂的样品200次循环可以保持98.8%，超过计划书的预期目标，1000次循环容量仍可以保持94.1%。项目实施以来，在Nano Energy、J. Power Sources等SCI一区杂志发表论文4篇，另有两篇SCI论文已投稿，目前处于修改稿返回再评审阶段。参与编写十二五规划教材一部《新能源导论》，申请发明专利1项，在国际会议上做口头报告3次。培养博士生1人，硕士生2人。