过度金属掺杂磷酸锰锂正极材料的结构与性能研究

Lithium ion batteries (LIBs) have been widely used in many fields, such as mobile phone, laptop and electric vehicles due to their numerous merits such as high energy density and excellent charge-discharge performances. Fabrication of large-scale LIBs with high security and high volumeric energy density becomes an important research direction. Electrode materials with high performances have been attracted much attention in the developments of LIBs. This project aims to synthesize transition metal doped lithium manganese phosphate (DLMP) nanofibers as cathode materials of LIBs based on the combination of electro-spinning and heat treatment. Based on their carbon coating and physiochemical characterization, especially the in-situ study by synchrotron X-ray diffraction (XRD) and X-ray absorption fine structure (XAFS), the structure variation of DLMP-based nanobiber cathode materials will be studied during the electrochemical reactions in LIBs, especially in green (aqueous) LIBs. The relationship between the size, structure and electrochemical performances of DLMP-based nanofiber materials should be clarified by the experimental study combined with theoretical simulation and calculation.

由于能量密度高和充放电性能优良等特点，锂离子电池在手机、笔记本电脑和电动汽车等许多领域得到广泛研究与应用。高安全性、高蓄电量的大尺寸锂离子电池是当前锂离子电池的一个重要发展方向，高性能电极材料研究已成为锂离子电池关键技术研究中的热点。本课题拟通过静电纺丝－热处理相结合的方法，研究过渡金属掺杂磷酸锰锂纳米纤维正极材料的制备。基于表面导电碳层包覆研究和纳米纤维材料的物理化学表征，特别是通过同步辐射X-射线衍射（XRD）和X射线吸收精细结构谱（XAFS）等测量，研究过渡金属掺杂磷酸锰锂纳米纤维在锂离子电池，特别是绿色（水）体系锂离子电池电化学反应过程中的结构变化，并结合理论计算与模拟，揭示材料的尺寸、结构同其电化学性能之间的关系。

由于能量密度高和充放电性能优良等特点，锂离子电池在手机、笔记本电脑和电动汽车等许多领域得到广泛研究与应用。高安全性、高蓄电量的大尺寸锂离子电池是当前锂离子电池的一个重要发展方向，高性能电极材料研究已成为锂离子电池关键技术研究中的热点。本申请利用合成体系优化，基于静电纺丝技术和煅烧程序相结合，制备出过渡金属掺杂磷酸锰锂/碳复合纤维正极材料，研究并初步揭示其复合纤维正极材料的结构与性能之间的关系，完成了最初实验设计思想。实验表明，通过静电纺丝过程中的锂元素化学计量比调节，虽然复合纤维正极材料的结晶尺寸较大，但固化煅烧所得铁掺杂磷酸锰锂/碳复合纤维正极材料的容量随正极材料中锂含量的增加而显著增加。实验表明，过渡金属的掺杂量、煅烧氛围和碳源选择对所制备过渡金属掺杂磷酸锰锂/碳复合纤维正极材料的电化学性能均具有重要影响。通过温度调节，实现不同电化学性能的铁基石墨烯复合物正极材料的调控制备。研究还表明，水系电化学储能器件中锰基电极材料的电化学性能同电解液中的离子半径和表面活性剂的添加密切相关。研究结果将为锂离子电池等储能器件用高性能电极材料的制备提供一定的研究基础与实验积累。