缺陷构筑提升富锂锰基正极材料的电化学性能
批准号:
51931006
项目类别:
重点项目
资助金额:
302.0 万元
负责人:
彭栋梁
依托单位:
学科分类:
金属能源与环境材料
结题年份:
2024
批准年份:
2019
项目状态:
已结题
项目参与者:
彭栋梁
中文摘要
富锂锰基层状材料具有比容量高、工作电压高和成本低等优点,是极具潜力的下一代锂离子电池新型正极材料。然而,循环过程中电极材料首次库仑效率低、倍率性能差、容量与电压衰减严重的缺点限制了其实际应用。本申请项目拟在理解缺陷、构筑缺陷和利用缺陷的核心思路指导下,通过锂、氧双空位缺陷与表面保护协同提升首次循环锂离子的电化学可逆性,提高其库伦效率;通过本征锂空位缺陷构筑与非本征高离子导率复合相修饰协同增强电极材料体相与界面处锂离子扩散速率,增强其倍率性能;通过体相掺杂和表面Li-M-O异质结构一体化构筑来调控电极材料的缺陷结构,抑制晶格氧过度氧化与相转变,提高容量与电压稳定性。在此基础上,建立缺陷与电化学性能的构效关系,理清不同缺陷间的内在联系,实现不同缺陷的协调与统一,并通过锂层超量锂空位的科学设计与合理构筑全面提升电极材料的电化学性能,考察其在全电池中的应用,为其商业化应用提供实验基础和理论依据。
英文摘要
Li-rich manganese-based layered oxide (LLO) cathodes are among the most promising cathodes in the next generation lithium ion batteries due to their high specific capacity, high operation voltage and low cost. However, they always suffer from severe disadvantages, such as low initial Coulombic efficiency, poor rate capability, rapid capacity and voltage decay, which greatly prohibit their practical application. Under the guideline of understanding, constructing and utilizing defects, this project will combine the lithium-vacant and oxygen-vacant defects associated by surface coating to improve the irreversibility of lithium ions at the activated electrochemical process and thus the initial Coulombic efficiency, construct intrinsic lithium-vacant defects and extrinsic modified phase with high ionic conductivity to promote the electrochemical kinetics of lithium ions in the bulk and at the interface and thus the rate consequently, construct doping in the bulk and Li-M-O heterostructures on the surface to tailor the defect structure in the electrode materials to suppress the excessive oxidization of lattice oxygen and phase transition, and thus improve the capacity and voltage retentions. Then, the relationship between defects and electrochemical performances will be investigated to understand the internal relationship among different defects. The scientific design and rational construction of excessive lithium-vacant defects in lithium sites of electrode materials will be carried out to improve the overall electrochemical performances of LLO cathodes and then their application in full cells will be investigated, which will provide the experimental and theoretical foundations for high energy density lithium ion battereis from the experimental study to the practical application.
富锂锰基层状氧化物(LRM)凭借其独特的阴离子氧化还原特性,展现出超高可逆比容量(>300 mAh g−1),被视作达成500 Wh kg−1高比能锂电池的理想正极之选。然而,循环过程中不可逆氧释放及其诱发的界面副反应和结构劣化等问题导致LRM首次库仑效率低、倍率性能差以及容量/电压衰减严重,严重制约了其实际应用。针对上述挑战,本项目采用共沉淀法,成功制备出了机械强度高、电子/离子传导性好的杨梅状结构的富锂锰基正极材料。通过油酸处理结合后续热处理策略,构建了锂/氧双离子空位缺陷及表面碳修饰层。研究结果表明,离子空位缺陷降低了Li离子扩散能垒,表面碳修饰层抑制了界面副反应,从而实现了首次库仑效率从84%到100%的精确调控。Fe离子掺杂与原位诱导的快离子传输界面修饰层,不仅降低了富锂正极的电荷转移阻抗,而且通过O 2p–Fe 3d电荷转移,增强了氧的反应活性;同时,具有三维离子扩散通道的界面修饰层促进了Li离子的迁移,从而提升了LRM的倍率性能。此外,通过Sb掺杂调节过渡金属的局部电子结构,有效抑制了氧的不可逆释放和过渡金属的不可逆迁移,实现了高倍率的稳定循环。开发出了一种富锂锰基正极材料全表面(二次颗粒表面与体相一次颗粒界面)修饰的简便策略,有效调控了体相与表面晶格氧的反应活性,抑制了电极/电解液的界面副反应,大幅提升了材料的容量与电压稳定性。同时,通过控制局部化学无序,实现了对晶格氧氧化还原反应(LOR)活性程度从22%到92%的可控调控,在最优的LOR活性(86%)下大幅提升了电压循环稳定性。在此基础上,通过优化工艺,开发出了高性能富锂锰基正极材料的公斤级制备技术,装配出了两种高能量密度的锂电池器件,为富锂材料的规模化应用奠定了理论和实验基础。
可集成全固态薄膜锂离子电池的材料制备、器件研制与性能研究
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批准号:U22A20118
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项目类别:联合基金项目
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资助金额:255.00万元
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批准年份:2022
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负责人:彭栋梁
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依托单位:
锂金属负极三维多孔Cu@Li2O-LiZn骨架层的一体化设计与储锂性能研究
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批准号:51871188
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项目类别:面上项目
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资助金额:60.0万元
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批准年份:2018
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负责人:彭栋梁
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依托单位:
磁性纳米粒子组装薄膜的反常霍尔效应研究
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批准号:51571167
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项目类别:面上项目
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资助金额:65.0万元
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批准年份:2015
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负责人:彭栋梁
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依托单位:
基于粒径和间距独立可控的磁性纳米粒子组装复合颗粒膜的电磁输运特性研究
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批准号:51371154
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项目类别:面上项目
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资助金额:85.0万元
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批准年份:2013
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负责人:彭栋梁
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依托单位:
双磁性相纳米颗粒膜的可控制备及其高频性能的研究
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批准号:51171158
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项目类别:面上项目
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资助金额:60.0万元
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批准年份:2011
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负责人:彭栋梁
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依托单位:
原位表面氧化非磁性金属纳米粒子集合体膜的磁学特性研究
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批准号:50971108
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项目类别:面上项目
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资助金额:42.0万元
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批准年份:2009
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负责人:彭栋梁
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依托单位:
磁性合金纳米粒子组装薄膜材料的制备及其性能研究
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批准号:50671087
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项目类别:面上项目
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资助金额:29.0万元
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批准年份:2006
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负责人:彭栋梁
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依托单位:
国内基金
海外基金