基于阴离子氧化还原反应的高容量锂离子电池正极材料xLi2TiO3·(1-x)LiMnO2 的研究

The actual specific capacity of the cathode materials for lithium ion batteries used in commercial applications is difficult to exceed 200 mAh/g. It is restricted by unavoidable theoretical limits based on classical transition metal redox. So the energy density of lithium ion batteries is difficult to be further improved. New positive materials with higher capacity are urgently needed in the application field such as electric vehicles.. LixAyOz·LiBO2（A=Ru、Nb、Mn、Ti、Co；B=Fe、Co、Ni、Mn）compounds deliver a reversible capacity of 300 mAh/g based on anionic redox reaction of oxide ions. This project mainly studies the synthesis method of the material xLi2TiO3·(1-x)LiMnO2 with high capacity and the process mechanism of synthetic reaction and optimizes synthetic process. The mechanism of charging and discharging process will be studied. The factors influencing the reversibility, cycle stability and thermal stability during charging and discharging will be discussed. Study on doping modification of the material will be carried out through experiment and theoretical calculation with the density functional theory(DFT) of the first principle, the type of doping element and stoichiometric ratio will be optimized. Finally，surface modification will be carried out for improving cycling performance. Theoretical foundation and technical support will be given for its industrialization.

基于过渡金属元素氧化还原反应的已商业化锂离子电池正极材料受理论容量限制，实际比容量难于超过200 mAh/g，难于进一步提高锂离子电池的能量密度，而以电动汽车为代表的应用领域迫切需要开发容量更高的新型正极材料。. 基于阴离子氧化还原反应的锂离子电池正极材料LixAyOz·LiBO2（A=Ru、Nb、Ti、Co；B=Fe、Co、Ni、Mn），可获得大于300 mAh/g的容量。本项目主要研究这类高容量材料xLi2TiO3·(1-x)LiMnO2的合成方法，合成反应过程机理，优化合成工艺；研究其充放电过程机理，影响充放电可逆性、充放电循环稳定性及热稳定性的因素；通过实验与理论计算（第一原理的密度泛函理论DFT）相结合的方法，对材料进行掺杂改性研究，优化掺杂元素种类和化学计量配比；最后进行表面修饰改善性能的研究；为今后可能的产业化提供理论依据与技术支撑。

基于过渡金属元素氧化还原反应的锂离子电池正极材料受理论容量限制，实际比容量最高可达200 mAh/g左右，难于进一步提高。基于阴离子氧化还原反应的锂离子电池正极材料LixAyOz·LiBO2（A=Ru、Nb、Ti、Mn 、Co；B=Fe、Co、Ni、Mn），可获得大于300 mAh/g的容量，是未来高容量正极材料发展的方向。. 本项目研究了该类高容量材料xLi2TiO3 · (1-x) LiMnO2的合成方法，合成反应过程机理，优化合成工艺；通过比较固相高温合成，溶胶-凝胶合成法，离子渗透等方法合成高容量正极材料，固相混合反应中，研究化学反应机理，研究多元醇辅助离子渗透的化学反应动力学原理。运用材料科学多种研究手段，研究合成过程相变过程机理，优化了合成工艺。. 其次研究了高容量锂离子电池正极材料 xLi2TiO3 · (1-x) LiMnO2 性能衰减机理，材料 xLi2TiO3 · (1-x) LiMnO2 结构变化与性能之间的关系，充放电过程电化学反应机理，影响充放电可逆性的因素，影响充放电稳定性的因素。Li2TiO3中激发氧阴离子氧化还原活性的影响因素。. 最后研究了高容量锂离子电池正极材料xLi2TiO3 · (1-x) LiMnO2性能改善方法。采用第一原理的密度泛函理论（DFT），建立正极材料xLi2TiO3 · (1-x) LiMnO2电子结构的计算模型，对不同掺杂元素的种类和掺杂量进行电子结构计算，研究电子结构与材料性能之间的关系，找到最佳的掺杂元素种类和数量，通过实验对计算结果进行验证。通过实验与理论计算相结合的方法，优化过渡金属种类和化学配比的选择。通过实验方法选择适当的表面包覆剂和包覆工艺对 xLi2TiO3 · (1-x) LiMnO2材料进行表面包覆改性。. 项目对阴离子氧化还原反应正极材料合成方法进行了有意义的探索，获得了较好的合成工艺，对合成机理、电化学反应机理、材料改性方法进行了系统研究，对促进材料的规模化生产有应用具有重要的理论指导意义。