新型磷酸铁锂/磷酸钒锂原位复合正极材料的结构与性能研究

Taking nano-biotechnology and technology of biomass thermochemical conversion, the LiFePO4/Li3V2(PO4)3 situ composite cathode materials with high-energy phosphate bonds, quantum dot and superlattice nanostructure are synthesized by using a high energy biocompound-adenosine triphosphate (ATP) as self-assembled structure template, nucleating agent, phosphorous source and biocarbon source. We will control the sedimentary mineralization of phosphate nanoparticles by regulating self-assembly function of ATP from the molecular level. The phosphate nanoparticles are assembled into the complex by in situ carbonization and heat treatment. The lithium storage synergy of high-energy phosphate bonds, quantum dot and superlattice nanostructure will significantly enhance the electrochemical performances of LiFePO4/Li3V2(PO4)3 situ composite cathode materials. We will research the formation and regulation mechanism of quantum dot and superlattice nanostructure by self-assembly principle of ATP. By studying the relations among nano structure, crystalline structure, in situ composite structure and electrochemical performances, we will also explore the regulation rules of specific capacity, high rate capability, energy density and cycle life with the component and structure of synthesized composite materials in order to improve its electrochemical properties.This study has important theoretic value and practical significance for the theoretic research and its application of materials for lithium ion batteries and large capacity high power lithium ion power batteries.

本研究以高能生物化合物腺苷三磷酸（ATP）为自组装结构模板、成核剂、磷源和碳源，采用纳米生物技术和生物质能热化学转换技术，利用ATP特异的可调控自组装功能从分子水平上控制磷酸盐纳米颗粒的沉积矿化,并将磷酸盐纳米颗粒组装成复合体，通过原位复合碳化和晶化热处理，合成具有高能磷酸键和量子点、超晶格纳米结构的新型LiFePO4/Li3V2(PO4)3原位复合正极材料。利用高能磷酸键、量子点和超晶格纳米结构的协同储锂效应，显著提高LiFePO4/Li3V2(PO4)3原位复合正极材料的电化学性能；利用生物分子自组装原理研究量子点和超晶格纳米结构的形成与调控机理；通过研究纳米结构、晶体结构和原位复合结构与电化学性能之间的关系，揭示合成材料的组成、结构对比容量、高倍率性能、能量密度和循环寿命的调控规律。本研究对锂离子电池材料和大容量高功率动力电池材料的理论研究与实际应用具有重要的理论价值和实际意义。

本项目以ATP、酵母等为自组装结构模板、成核剂、磷源和碳源，对LFP/LVP/C、LFP/NFV/NFVPB、LNVP/C、LVP/C等复合材料组成与结构的设计与制备技术、合成材料组成、结构与电化学性能关系、纳米结构和原位复合异质结结构与电化学性能关系、复合材料合成机理以及量子点和超晶格纳米结构的储锂及Li+和电子的传输机制等进行了系统研究；同时，对近年来有关正极材料的研究进行了综述评述；还对有关负极材料进行了扩大研究。本项目按计划完成了研究内容与指标任务，取得了预期的系列成果:⑴ 掌握了ATP组成与结构的特性和自组装方式，建立了高能磷酸键遗传结构的调控方法，阐明了量子点和超晶格纳米结构的形成机理，掌握了高能生物分子调控和制备具有量子点和超晶格纳米结构的原位复合正极材料的技术；⑵ 揭示了合成材料组成、量子点、超晶格、晶体结构、原位复合导电网结构和复合材料的表面异质结结构等对锂离子传导/嵌脱性能、能量密度、电导率和结构稳定性等电化学性能的调控规律；⑶合成材料的晶粒尺寸为20～90 nm，量子点尺寸为4～9 nm，超晶格尺寸为3～10 nm；电导率为5.1×10-3 S/cm，0.1C 室温首次放电比容量为222 mAh g-1，能量密度为682 Wh kg-1；5C 室温放电比容量为145 mAh g-1，能量密度为525 Wh kg-1；循环1000次后放电比容量保持率为70%；（4）明确了目前正极材料研究存在的主要问题及今后其主要研究方向、目标与思路；（5）建立了具有良好电化学性能的低成本负极材料新组成体系与制备技术。. 本研究拓宽了纳米生物技术的应用领域，丰富了正极材料组成、结构设计与实现的途径和研究方法，开发了新的正极材料和负极材料组成与合成体系和合成技术，合成了系列钠锂磷酸盐原位复合正极材料和多种金属氧化物与非金属化合物复合的负极材料，认清了其组成、结构、技术与性能关系和离子传输机理，对促进高性能电池电极材料的研究与应用具有重要的理论价值和实际意义。