锂离子电池正极用新型含卤素硼酸盐化合物的研究

Lithium ion batteries (LIB) energy storage technology plays an important role in utilize of renewable energy and electric vehicle. Cathode materials are the key obstacle to improving the properties of LIB. Therefore, it is necessary to search for new LIB cathode materials. In this research project, we propose the structure design tactics of composite functional crystal structure regions and focus on new borate compounds containing halogen. By adjusting the arrangement of structure groups，different functional crystal structure regions are obtained, whose synergistic effects can bring high specific capacity, voltage, ionic and electronic conductivity and cycle stability. The project aims to explore new LIB cathode materials which can overcome the shortcomings of the existing materials and deepen the understanding of crystal structure, electrochemistry properties and the composition–structure–property relationship of borate compounds containing halogen.

锂离子电池储能技术在可再生能源及电动汽车方面具有重要的应用前景。正极材料是目前限制锂离子电池性能提高的主要因素。因此，需要探索新型锂离子电池正极材料。本项目中我们提出复合功能晶体结构区锂离子电池正极材料的结构设计策略，以含卤素硼酸盐化合物为研究对象，通过调节结构基团的排列方式形成不同功能的晶体结构区，这些功能结构区的协同作用能够同时满足正极材料高比容量、高电压、高离子和电子电导率及高循环稳定性的需求。本项目旨在探索能够克服现有材料缺点的新型锂离子电池正极材料并加深人们对含卤素硼酸盐化合物晶体结构、电化学性能以及组成-结构-性质之间关系的了解。

风能和太阳能等清洁能源的快速发展以及电动汽车行业的崛起对锂离子电池等储能技术的性能提出了更高的要求。正极材料是目前限制锂离子电池性能进一步提升的主要原因。针对正极材料比容量低、倍率性能以及稳定性不足的问题，本项目在硼酸盐等体系中开展了系统的研究工作。首先，在总结之前各种正极材料结构和性能的基础之上，从结构上设计和选择能够满足正极材料性能需求的化合物。然后，在结构设计的基础上通过固相法、碳热还原、溶胶凝胶和水热法等获得了所需要的化合物及其碳包覆材料。最后，通过电化学性能测试和物化性能测试等表征材料作为正极材料使用的可行性。. 在硼酸盐体系中，我们发现并首次报道了Li1.93V2.07BO5@C作为锂离子电池正极材料使用，其结构中V和Li占据同一个位置，提高了材料的离子传输性能，其比容量达到120mAh/g，也表现出较好的循环性能和倍率性能。另外，我们在钼酸盐体系中也开展了系统的研究工作，利用钼氧基团本身既能作为晶体结构框架，又能提供价态变化的优势，获得了高比容量和高倍率性能的化合物Li3Cr(MoO4)3和LiCr(MoO4)2，通过简单的球磨包碳进一步提高了材料的倍率性能。两种材料在0.1C低倍率下放电比容量都超过200mAh/g，远高于现在商业化的磷酸铁路和三元材料等，两种材料在10C高倍率下比容量仍能保持50%以上。另外，对磷酸盐正极材料磷酸钒锂体系开展了深入的研究，通过离子掺杂（Bi和B），形貌调控（亚微米片状结构、“三合一”复合三维结构）等方法极大的提高了材料的电化学性能，特别是低温下的性能。所制备的磷酸钒锂正极材料在-40oC低温下仍能保持70%以上的比容量。. 本项目为硼酸盐体系中锂离子电池电极材料的新结构设计和材料合成提供了研究基础和理论支持，为新型锂离子电池材料的探索提供了新体系和研究方向，加深了对锂离子电池用硼酸盐材料构效关系的理解。