Li/Na混合离子电池新型锂磷酸盐/钠氧化物/碳纳米复合正极材料合成与结构性能研究

Li/Na mixed-ion battery is one of the most effective ways to reduce costs further, and improves electrochemical performance and security of lithium ion battery. In this research project, a new lithium phosphate/sodium oxides/C nanocomposite will be synthesized by using sodium alginate (NaAlg) and disodium adenosine triphosphate as multi-function templates and by a synthesis technique of sol-gel-hydrothermal carbonization-freeze drying-carbothermic reduction. The nanocrystal grains of lithium phosphate and sodium oxides were in-sit form in three-dimensional network structure of conductive carbon by regulating absorption, chelation and cross linking between the multi-function templates and metal ions and their self-assembled structures during the synthesis. The hierarchical porous structure, three dimensional conductive network structure and multiphase nanometer composite structure in the synthesis sample have a synergistic effect to provide the valid tunnels for Li/Na mixed-ion diffusion, intercalation and deintercalation, and improve the electrochemical performances of cathode materials for Li/Na mixed-ion batteries; By systematically studying deeply the relationship of synthesis technology with structural components and electrochemical properties, we will demonstrate the regulation rules of phase composition, structure and electrochemical properties of composites and explain the mechanisms of Li/Na mixed-ion diffusion, intercalation and deintercalation. This study has important theoretical value and practical significance for the research and application of new mixed-ion batteries and advanced Energy Materials.

Li/Na混合离子电池是进一步降低锂离子电池成本，提高其电化学性能和安全性的有效途径之一。本项目以海藻酸钠和三磷酸腺苷二钠为多功能模板，采用溶胶凝胶-水热碳化-冷冻干燥-碳热还原合成技术，通过调控多功能模板与金属离子吸附螯合交联作用和自组装结构，使锂磷酸盐和钠氧化物纳米晶粒原位生长在三维网络导电碳结构中，形成锂磷酸盐/钠氧化物/碳纳米复合材料，通过多级孔结构、三维导电网络结构、多相纳米复合结构的协同效应，提供有效的Li/Na混合离子脱嵌和传输通道，提高Li/Na混合离子电池正极材料的电化学性能；通过深入系统研究复合材料的合成技术、组成、结构与电化学性能的关系，揭示多相纳米复合材料相组成、结构及电化学性能的调控规律，阐明Li/Na混合离子脱嵌与传输机制。本项目对我国新型混合离子电池和新型能源材料的研究与应用均具有重要理论价值与实际意义。

锂钠混合离子电池正极材料是一种潜在的重要电极材料，但还存在钠离子传输困难、相变结构变化大、导电性差、电化学性能低等亟待解决的问题。本研究以NaALG和ATPNa2等为多功能模板，采用溶胶凝胶-水热碳化-冷冻干燥-碳热还原等合成技术制备了系列锂钠混合多相复合正极材料，通过多级孔结构、三维导电网络结构、多相纳米复合结构的协同效应进一步提高其电化学性能，并对材料组成、合成技术、结构与电化学性能关系及锂钠混合离子脱嵌与传输机制等进行了系统研究；同时，对有关其它正极材料、负极材料进行了扩大研究，还对近年来有关正极材料的研究进行了综述评述。本项目按计划完成了研究内容与指标任务，取得了预期的研究成果:（1）掌握了NaALG、ATPNa2等模板的组成、结构与特性和自组装方式及其调控规律，建立了多级孔结构的调控方法和多相纳米复合方法，掌握了模板的结构调控和制备多级孔结构的锂钠混合多相复合正极材料的技术；（2）揭示了锂钠混合多相复合材料合成技术、组成和结构对电化学性能的关系；（3）揭示了Li/ Na离子在多相纳米复合材料结构中的储存与传输机制；（4）复合材料的离子扩散系数6.53×10-11 cm2 s-1；1 C首次放电比容量187 mAh g-1，能量密度530 Wh kg-1；10 C 放电比容量108.9 mAh g-1，能量密度400 Wh kg-1；10 C 循环1100次放电比容量保持率90%；（5）建立了具有良好电化学性能的正极材料和负极材料的新组成体系与制备技术，掌握了其组成结构与性能的关系；（6）明确了目前正极材料研究存在的主要问题及今后其主要研究方向、目标与思路。本研究拓宽了正极材料组成、结构设计与实现的途径和研究方法，开发了新的正极材料和负极材料组成与合成技术，认清了其组成、结构、技术与性能关系和离子传输机理，对促进高性能电池电极材料的研究与应用具有重要的理论价值和实际意义。