锂离子导体、电子导体“同层-双相”共包覆富锂锰基正极材料及其界面研究

Lithium-rich manganese-based cathode materials with high capacity, high voltage and low cost are considered as the preferred cathode material of the next generation lithium-ion battery with high performance. However, the low initial coulombic efficiency, serious capacity fading and poor rate capability restrict its practical application. And surface coating as one of the effective modification methods can improve the electrochemical performance of lithium-rich cathode material significantly. However, the single or double-coating layer will hinder lithium ion diffusion or electrons transportation at the interface. In this research, we propose “one layer-two phase” co-coating modification on lithium-rich cathode material Li1.2Mn0.54Ni0.13Co0.13O2 with lithium ion conductor (Li3PO4) and electronic conductor (carbon) by “cold” magnetron sputtering. Optimize the process parameters to make the two components controllable deposition and obtain a uniform hybrid coating layer. The effects of hybrid coating layer composition, microstructure (thickness, uniformity, crystalline) on the electrochemical properties are investigated; the transport, storage and reaction performance of lithium ion and electron at the interface of hybrid coating layer are revealed; the impact interface structure between the mix coating layer and the core material on SEI film formation is also explored; The model of hybrid coating will be built and its mechanism will be discussed. As a result, it is hopeful to solve the problems of lithium-rich cathode material mentioned above and lay the foundation for its practical application and modification of other electrode materials.

富锂锰基正极材料具有高比容量、高电压、低成本等优点，被认为是新一代高性能锂离子电池的首选正极材料。但首次库伦效率低、循环衰减严重、倍率性能欠佳等制约了其实际应用。表面包覆可大幅提升富锂正极材料的电化学性能，成为其有效改性途径之一，但单相包覆和双层包覆因阻碍锂离子或电子的界面传输而影响性能。本项目提出采用“冷态”多靶磁控共溅射制备锂离子导体（Li3PO4）和电子导体（碳）“同层-双相”共包覆富锂正极材料新型复合结构，调控磁控溅射工艺实现两种成分均匀地可控沉积。研究混合包覆层成分、微观结构（厚度、均匀性、结晶性）等因素对其电化学性能的影响规律；揭示锂离子和电子在混合包覆层界面上的输运、存储及反应特性；研究混合包覆层与核心材料之间的界面结构对表面SEI膜形成的影响，构建混合包覆模型并揭示其作用机理。该研究结果可望解决富锂正极材料的上述问题，为其实用化及其它电极材料的改性研究奠定基础。

富锂锰基正极材料具有高比容量、高电压及低成本的显著优势，被认为是新一代高性能锂离子电池首选正极材料。但首次库伦效率低、循环衰减严重、倍率性能欠佳等制约了其实际应用。表面包覆可大幅提升其电化学性能，成为其有效改性途径之一，但单相包覆和双层包覆因阻碍锂离子或电子的界面传输而影响性能。因此，探索有效包覆改性方法及其界面研究是获得实用化、高性能富锂锰基正极材料所面临的重要挑战。. 本项目首次提出采用“冷态”多靶磁控共溅射制备锂离子导体（Li3PO4）和电子导体（碳）“同层-双相”共包覆富锂正极材料新型复合结构的新思路。首先，研究了富锂锰基正极材料形貌及体相结构调控规律；采用共沉淀-高温固相法可控合成了粒径可控的高振实密度球形富锂锰基正极材料，明确了前驱体制备的关键因素，阐明了材料成分、工艺参数与所合成材料的相组成、物化参数的关系，获得电化学性能优异、物化参数符合产业化要求的均匀球形微米团聚体。在此基础上，采用磁控溅射技术对富锂锰基正极进行锂离子导体（Li3PO4、Li4Ti5O12）和电子导体（C）表面包覆改性，首次在富锂锰基正极材料电极上采用冷态包覆方法实现了离子导体和电子导体的同层双相共包覆，并探究了两种成分包覆层形成的调控途径。由此合成的富锂锰基电极组成的锂离子电池显示出优越的电化学性能。而且还深入研究了锂离子导体、电子导体包覆层对富锂正极材料界面离子及电子输运的促进作用及机制，建立模型揭示了富锂正极材料性能改善机理。. 研究成果奠定了采用冷态包覆技术对正极材料进行锂离子导体、电子导体同层双相共包覆的改性理论基础。该改性方法实现了“同层双相”共包覆，解决了单相包覆和双层包覆因阻碍锂离子或电子的界面传输而影响性能发挥的关键问题，减小了电极极化，大幅度提升材料的倍率性能，为制备高容量富锂锰基正极材料开拓了新的途径，而且还可以普遍应用于锂电池其他正极材料的表面改性。