微/纳多级结构Li3V2(PO4)3/C+N+P@PEAE的可控制备及电化学性能

Monoclinic Li3V2(PO4)3 (LVP) used as a cathode material for lithium-ion batteries, its electronic and ionic conductivities are low, and the capacity fading is severe in the range of 3.0-4.8 V. In the project, micro/nano hierarchical LVP/C+N+P will be designed and prepared using ionic liquid as a template, carbon source, nitrogen and phosphorus precursors. Nitrogen and phosphorus co-doped carbon coating on the LVP can improve the electronic conductivity of the LVP. The micro/nano hierarchical structure can shorten the Li+ ions diffusion distance. Poly(3,4-ethylene dioxythiophene), presents good electronic conductivity. Both lithium polyacrylate and polyethylene oxide show lithium ionic conductivities. They will be polymerized in-situ to PEAE with electronic and ionic conductivities. Then, the PEAE will be coated on the LVP/C+N+P to weaken the side reaction between LVP/C+N+P and electrolyte, and improve the electronic and ionic conductivities of LVP/C+N+P. The physical properties, kinetic parameters, interfacial behaviors and electrochemical performance in various high-voltage electrolytes will be tested or studied for micro/nano hierarchical LVP/C+N+P and LVP/C+N+P@PEAE. Then the relationship between microstructure and composition of LVP/C+N+P@PEAE and electrochemical performance will be determined. The capacity fading mechanism will be clarified for LVP in the range of 3.0-4.8 V. The implementation of the project will enrich the research ideas of LVP, and provide some guidance for the lithium-ion batteries with high specific energy density.

Li3V2(PO4)3（LVP）作为锂离子电池正极材料存在电子及离子电导率低和在3.0-4.8 V内容量衰减快的缺点。本项目将以离子液体为模板剂、C、N和P源原位可控制备具有微/纳多级结构的LVP/C+N+P，以提高其电子电导率及缩短Li+扩散路径。将具有电子导电性的聚3,4-乙烯二氧撑噻吩和具有锂离子导电性的聚丙烯酸锂及聚氧化乙烯原位复合成导电聚合物PEAE，包在LVP/C+N+P上有望在减弱活性物质和电解液间副反应的同时提高电子和离子电导率。研究LVP/C+N+P和LVP/C+N+P@PEAE的物理和动力学特性、界面行为及在不同高电压电解液中的电化学性能，确定Li3V2(PO4)3/C+N+P@PEAE的微观结构形貌及组成和电化学性能间的关系，阐明Li3V2(PO4)3在宽电势范围内容量衰减机制。本项目的实施既可以丰富LVP的研究思路，又可对研究新一代高比能量锂离子电池提供一定的指导。

锂离子电池自上世纪90年代商业化以来，由于具有工作电压高、能量密度大、自放电率低、循环寿命长、无记忆效应以及对环境友好等优点成为便携式电子产品、电动车和混合电动车的理想电源。在锂离子电池中，正极材料的特性在很大程度上决定了电池的各项性能指标。与商业化的锂离子电池正极材料LiFePO4相比，单斜Li3V2(PO4)3 （LVP）具有更高的锂离子扩散系数、更好的倍率性能、更高的放电平台和能量密度。但是其电子和离子电导率不高以及在宽电势范围内容量衰减快的缺点限制了LVP更广泛的应用。本项目以离子液体为模板剂、C、N和P源原位制备了具有微/纳多级结构的LVP/C+N+P，提高了材料的电子电导率同时缩短了Li+扩散路径。当碳含量为8 wt%左右，N和P含量不超过1 wt%时材料的电子电导率和离子扩散系数高、电化学性能良好。在3 C电流下材料的首次放电比容量为159.6 mAh g-1，循环1000次的放电比容量为111.1 mAh g-1。将具有电子导电性的聚3,4-乙烯二氧撑噻吩和具有锂离子导电性的聚丙烯酸锂及聚氧化乙烯原位复合成导电聚合物PEAE，包在LVP/C+N+P上减弱了活性物质和电解液间副反应的同时提高了电子和离子电导率，进而提高了材料的电化学性能。当PEAE包覆量为3 wt%左右时，在4 C电流下材料的首次放电比容量为139.8 mAh g-1，循环1000次的放电比容量为82.1 mAh g-1。研究了LVP/C+N+P和LVP/C+N+P@PEAE的物理和动力学特性、界面行为及在不同高电压电解液中的电化学性能，确定了Li3V2(PO4)3/C+N+P@PEAE的微观结构形貌及组成和电化学性能间的关系。由具有纳米尺寸的一次颗粒组成的具有微米尺寸的二次颗粒在保证材料高容量和倍率性能的同时可以提高材料的长循环性能；采用具有电子导电性的C+N+P 和同时具有电子和离子导电性的PEAE对LVP包覆，在保证材料高容量和倍率性能的条件下可以提高材料的长循环性能。通过对材料的形貌和包覆层组成的控制都可以提高材料的循环性能，这种方法也可以推广到其它电极材料的修饰上。