固体生物废弃物为模板制备高倍率LiNi0.5Mn1.5O4的方法和机理研究

Improving the rate capability of the electrode materials is one of the hotspots of lithium-ion batteries. The rate capability can be improved effectively by using porous electrode materials. The most common method of preparing porous electrode material is template method. In this project, LiNi0.5Mn1.5O4 (LNMO) cathode material for lithium ion battery will be prepared by template method, using porous or uniquely morphological solid bio-waste as templates. Based on the screen and modification of the templates, the regular patterns of the effects of the templates on the micro morphology, phase composition and crystal phase formation of LNMO will be investigated. The regular pattern of the effect of micro morphology of LNMO on the electrochemical performance will be further studied. Through research, 3-5 types of solid bio-waste template materials with the advantages of low cost, easy remove and good applicability will be screened out. The regular patterns of the effects of the solid bio-waste templates on the micro morphology, phase composition and crystal phase formation of LNMO will be explained. And LNMO materials with unique morphologies can be prepared controllably. Moreover, the regular pattern of the effect of micro morphology of LNMO on the electrochemical performance will be elucidated. Through the implementation of the project, a new thought and scientific basis for the preparation of LNMO by an inexpensive, practical and green template method will be supplied, and a certain scientific basis for the multipurpose use of bio-waste will be supplied.

提高电极材料的倍率性能是锂离子电池研究的热点之一，将电极材料多孔化可有效提高倍率性能，制备多孔电极材料最常用的方法是模板法。本项目采用多孔或特殊形貌的固体生物废弃物为模板来制备LiNi0.5Mn1.5O4（LNMO）锂离子电池正极材料。在模板筛选与改性的基础上，研究模板对LNMO材料微观形貌的影响规律，研究模板对LNMO材料物相和晶相形成的影响规律，进一步研究LNMO材料的微观形貌对其倍率及其它性能的影响规律。通过研究，筛选出3-5种价格低、去除容易、适用性强的固体生物废弃物模板材料；阐明固体生物废弃物模板对LNMO材料微观形貌结构、物相和晶相形成的影响规律，实现具有特殊结构的LNMO材料的可控合成；揭示LNMO材料微观形貌结构对材料的电化学性能的影响规律。通过项目实施，为高倍率LNMO材料的低成本、实用、环保的模板法制备提供一种新的思路和科学依据，也为一些生物废弃物的综合利用提供依据。

项目围绕以固体废弃物为模板制备LiNi0.5Mn1.5O4及相关材料，系统和深入的研究了原料体系、制备工艺条件、固体生物废弃物模板材料的筛选与改性、模板材料对LiNi0.5Mn1.5O4及相关材料物相结构、微观形貌和电化学性能的影响规律。通过研究，顺利完成了计划任务书中的研究内容。.项目在优化研究原料体系配比、实验工艺参数、LiNi0.5Mn1.5O4及相关材料性能改进的基础上，以螃蟹壳、猪骨等动物性废弃物和玉米杆、松木、竹、棉花、植物纤维纸（滤纸）、枇杷树干、石榴树杆等植物性废弃物为模板材料制备LiNi0.5Mn1.5O4及相关材料的研究工作，进一步深入研究了模板对LiNi0.5Mn1.5O4及相关材料的影响以及LiNi0.5Mn1.5O4及相关材料微观形貌的模板法控制合成及性能关联机理。研究表明，通过具有不同微观形貌的模板的选取和工艺条件的优化，可以在LiNi0.5Mn1.5O4及相关材料的制备过程中有效的调控其微观形貌、颗粒分散性等，进而改进材料电化学性能。.研究表明，动物性废弃物模板材料在制备的过程中由于需要外加酸去除，工艺步骤较多、存在环境污染，且动物性废弃物为模板制备材料的产率低，作为模板材料效果不佳；植物性模板种类多，微观结构丰富，无需单独的去除程序，环境友好、产率高，作为固体生物废弃物模板材料效果好。研究表明，通过模板材料微观结构的不同，可以有效的控制LiNi0.5Mn1.5O4及相关材料的微观形貌，可以比较容易的获得结晶性好、颗粒均匀、分散性好、多孔性可控的LiNi0.5Mn1.5O4及相关材料，这些材料均显示出较好的循环性能和倍率性能，其原因是通过模板材料的作用，有效的提高了材料的锂离子电导率，部分材料的电子电导率也得到了提升。.通过系统研究，LiNi0.5Mn1.5O4及相关材料的循环性能、倍率性能都得到了有效提升，证明了以固体生物废弃物为模板可控制备LiNi0.5Mn1.5O4及相关材料的科学思路是可行和有效的，对推进LiNi0.5Mn1.5O4及相关材料、其他氧化物材料的简单微观形貌控制具有积极的科学意义。