高性能锂电池磷酸铁锰锂纳米材料的研发及其结构与性能相关性研究

Olivine LiFePO4 has been deeply studied and widely applied in electric vehicle power battery as anode materials of lithium ion batteries. But its energy density (working voltage of 3.4V) is quite low. To incorporate with Mn (LiMn1-xFexPO4) make the working voltage increased to about 4.1 V, which become an effective method to improve the energy density. Based on the existing result of LiFePO4 and LiMn1-xFexPO4, the project team will continue the research on high performance LiMn1-xFexPO4 nano materials as well as the related novel interface coating technology through the methods of combining theoretical calculation and experimental research. The composition, structure, scale, correlation between interface and lithium batteries performance of the nano materials will be studied, including the controllable syntheses of nano materials, related measurement of structural and electrochemical performance, and the calculation of materials first principle. The relative electronic structure, lithium storage voltage, and lithium ion diffusion properties will be obtained. Based on those results of experiment and theory, the appropriate regulation methods will be further explored to improve the electrochemical activity, high performance and stable LiMn1-xFexPO4 materials will be developed for power battery as well. This project will provide guidance for the design and develop of new phase structure high performance LiMPO4 (M= Fe, Mn, Co, Ni, or the combination).

橄榄石结构的磷酸铁锂作为锂离子电池正极材料已得到深入的研究和在电动汽车动力电池中广泛应用，但其能量密度（工作电压3.4V）仍然较低，掺入Mn元素（即磷酸铁锰锂LiMn1-xFexPO4）可以提高电压到4.1V左右，成为提高电池的能量密度的一种有效手段。本项目在已有磷酸铁锂和磷酸铁锰锂研究成果的基础上，采用理论计算与实验相结合的方法，研发高性能的磷酸铁锰锂纳米材料及相关的新型的界面包覆方法，研究该纳米材料的组分、结构、尺度、界面与锂电池性能的相关性，包括纳米材料可控制备及相关的结构和电化学性能测量，及第一性原理计算，获得相关电子结构、储锂电压、及锂离子的扩散性质等，基于实验和理论的结果，进一步探索合适的调控手段提高其电化学活性，研发稳定的高性能的磷酸铁锰锂材料。本项目将给人们对如何设计开发新型相结构的高性能LiMPO4（M= Fe, Mn, Co, Ni, 或这4个元素的混合）提供指导。

锂离子电池作为一种新兴电化学储能设备，在现今社会中占据越来越重要的地位。目前所发现和研究的锂离子电池正极材料中橄榄石结构LiFePO4为极具潜力的一款已经被广泛研究，已经投入商业应用并成为电动车动力电池及大容量储能的主要正极材料。但是安全性能好且廉价的LiFePO4摆脱不了低工作电压、低能量密度的限制，基于上述考虑，高能量密度磷酸铁锰锂正极材料的研究就势在必行，其同时兼具LiFePO4材料良好导电性和LiMnPO4材料高能量密度的优点。本项目在已有磷酸铁锂和磷酸铁锰锂研究成果的基础上，进一步采用理论计算与实验相结合的方法对LiMn1-xFexPO4进行了深入研究，研究内容包括：LiMn1-xFexPO4的热力学稳定结构；LiMn1-xFexPO4的Jahn-Teller效应；磁结构；LiMn1-xFexPO4纳米材料的组分、结构、尺度、界面与锂电池性能的相关性；及纳米材料可控制备及界面有效包覆，试图寻找性能最优的Fe/Mn比例和界面包覆方法，探索实验方法和条件合成形貌可控的高性能LiMn1-xFexPO4正极材料。最终实现了该纳米材料的可控制备及高性能碳包覆，并提出最优Fe/Mn比例，进而对该材料的界面结构和体相结构进行了深入剖析，为我们实现高性能电池提供理论依据。四年的不间断研究，不仅对LiMn1-xFexPO4相结构与锂电池性能关系提供一个系统深入的认识，同时还为新型锂离子电池高性能正极材料的开发提供重要指导，也具有重要的产业价值。