高性能电池材料LNMO4-δ@LATO的氧缺陷控制机理和表面包覆机制的研究

So far there are some problems that need solving for the high-performance battery material LiNi0.5Mn1.5O4 (LNMO). There has not been a theory to control the amount of oxygen deficiency. In addition, at elevated temperature, the erosion of Mn and Ni elements by electrolyte was aggravated, resulting in its quick capacity decay. This project is to set up a reaction equilibrium equation for local structure of oxygen vacancy in LNMO, and construct a interrelated model between oxygen partial pressure, temperature and oxygen deficiency, combining the TGA experiment results, in order to disclose the affecting law and interaction of oxygen partial pressure and temperature on oxygen deficiency, and realize controlling the content of oxygen deficiency in LNMO. This project is to coat a spinel Li0.7Al1.9Ti0.4O4 (LATO) material on the surface of the LNMO, and construct a transition layer between the base and coating layer through atoms diffusion, and adjust the content of oxygen deficiency. At last a interdiffusion LNMO4-δ@LATO material will be synthesized, in which the coating cohesion can be strengthened, and the resistance of lithium migration through the coating layer will reduce. The structural characteristics of the transition layer will be investigated by Synchrotron Radiation technology. This project is also to conduct charge-discharge tests and electrochemical reaction mechanism analysis for the as-prepared material. The significance of this project is to establish a new method to control the content of oxygen deficiency, and propose a new coating mechanism for electrode materials. So it will provide a new idea to improve the properties of spinel LNMO material.

高性能电池材料LiNi0.5Mn1.5O4（LNMO）目前存在没有建立控制氧缺陷的理论方法以及高温下受电解液浸蚀加剧、容量衰减较快的问题。本项目拟根据氧空位的局域结构构建氧分压、反应温度与氧缺陷的关联模型，结合热重实验，揭示氧分压、反应温度对氧缺陷的影响规律及交互作用，实现控制氧缺陷含量。拟在LNMO表面包覆尖晶石结构材料Li0.7Al1.9Ti0.4O4（LATO），保护基体；通过原子扩散，在基体与包覆层间构筑过渡结构，调节氧缺陷含量，得到互扩散式的包覆材料LNMO4-δ@LATO；提高包覆层的结合强度，并减小Li离子通过包覆层的阻力；采用同步辐射技术研究过渡层的结构特征。本项目还将对包覆材料进行电化学性能测试和电化学反应机理研究。本项目的意义在于，建立控制LNMO材料中氧缺陷的理论方法，提出一个新的在电池材料表面包覆的机制，为提高LNMO材料的性能提供一个新的研究思路。

尖晶石结构材料LiNi0.5Mn1.5O4 （记为 LNMO）的工作电压约为 4.7V，理论比容量为147mAh/g，理论能量密度大于650 Wh/kg，并且具有较好的大电流充放电性能，是一种高性能电池材料，但是目前还没有商业应用。LNMO 材料存在以下问题影响其性能和应用，需要解决。1、氧缺陷是影响 LNMO 材料性能的重要因素，但是没有建立控制氧缺陷的理论方法；2、LNMO 材料中的 Mn和Ni元素受到电解液的浸蚀作用而溶解到电解液中，使尖晶石结构受到破坏，容量衰减较快。.本项目研究了氧分压、反应温度对氧缺陷的影响规律及交互作用，建立了控制氧缺陷含量的理论依据；研究了在LNMO表面包覆Li0.7Al1.9Ti0.4O4（LATO）材料，利用同步辐射和高能透射电镜等先进技术分析了包覆结构的特征，揭示该包覆可提高包覆层的结合强度，并减小Li离子通过包覆层的阻力，提高了材料循环性能。.项目得到以下重要结果和关键数据：1、在700-825℃温度和825-950℃温度范围内氧缺陷呈不同的变化规律，在700-825℃之间，氧缺陷与温度存在δ=0.000899T+689.82；在825-950℃之间，氧缺陷与温度存在δ=0.003597T+779.78；2．氧分压增加时，相同温度下产生的氧缺陷明显减小；3．LNMO材料在高温下的失氧量主要受温度影响，与时间无关；4．掺杂元素影响氧缺陷的产生，高温下Fe和Cr掺杂的化合物可以减少氧缺陷，而在冷却条件下，Fe掺杂的化合物中比原始LNMO中保留更多的氧缺陷；5．LNCMO表面包覆LATO，在基体与包覆层之间形成了“晶格匹配”；6．LNMO包覆LATO后，高温下的循环性能有改善；LNCMO包覆LATO后，循环性能得到较大提高，循环700次后，容量保持率达到83%。.本项目的科学意义在于，揭示了温度、氧分压对LNMO材料的氧缺陷的影响规律，建立了控制LNMO材料中氧缺陷的理论方法，提出一个在LNMO材料表面包覆LATO材料的新机制，在包覆层与基体之间形成“晶格匹配”式结构，切实提高了LNMO材料的电化学性能，为锂离子电池材料的性能改进提供一个新的研究思路。