课题基金 / 基金详情

富锂锰基层状氧化物的阴离子电荷补偿行为机制及异质结构设计

批准号:
51972023
项目类别:
面上项目
资助金额:
62.0 万元
负责人:
李建玲
依托单位:
学科分类:
无机非金属能量转换与存储材料
结题年份:
2023
批准年份:
2019
项目状态:
已结题
项目参与者:
李建玲

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
富锂锰基层状氧化物具有高比容量和能量密度,且成本低廉、对环境友好,极具潜力成为新一代锂离子电池正极材料。其独特的阴离子氧化还原反应为实现多电子转移过程及提高材料比容量创造了条件,然而提高该材料的本征稳定性、保持良好的循环性能仍存在挑战,同时其首次充放电行为不一致且性能随循环而衰减,需深入研究阴离子行为机制,并针对性地设计局域异质结构来增强阴离子电荷补偿能力并稳定晶体结构。本项目拟解析首次4.5V平台处氧的电子态变化规律及其与金属阳离子迁移的拓扑关联,明确在电极反应过程中的结构演变及失效机制,研究材料内部、表层及界面处的电化学行为。通过表面均匀修饰富含氧空穴的催化材料及四面体间隙位非金属原子掺杂,提高富锂材料阴离子的电荷补偿能力并钉扎过渡金属元素,同时探索新型O3@O2型异质结构及拓宽参与氧化还原的阴离子的多元性,从结构和机理上解决富锂材料存在的不可逆容量损失、相结构转变等一系列科学问题。
英文摘要
Lithium-rich manganese-based layered oxides have the potential to become a new generation of cathode materials for lithium-ion batteries, exhibiting high specific capacity and energy density, low cost and environmentally friendliness. Its unique anionic redox reaction creates conditions for multi-electron transfer processes and increasing specific capacity of materials. However, there are huge challenges to improve the intrinsic stability of the materials and maintain excellent cycle performance. What’s more, the initial charge behavior is not consistent with the discharge behavior, and the performance deteriorates accompanied by the subsequent cycle. It is necessary to study the anion charge compensation behavior mechanism of the material in depth, and targetedly design the local heterostructure to enhance the anion charge compensation ability and stability of the material structure. This project intends to analyze the evolution of the electronic state of oxygen at the first 4.5V platform and the topological correlation with the migration of metal cations, define the local structure evolution and failure mechanism during the electrode reaction process, and study the electrochemical behavior at the interior, surface and interface of the material. Improve the charge compensation ability of the anion and pin the transition metal by uniformly modifying the catalytic material with abundant oxygen vacancy on the surface and doping non-metal atom at the tetrahedral interstitial. Meanwhile, explore the novel O3@O2 heterostructure and broaden the diversity of the anions participating in redox. These will solve a series of scientific problems such as irreversible capacity loss and phase structure transformation of lithium-rich materials from the structure and mechanism.
富锂锰基正极材料拥有较高的能量密度,但仍存在容量及电压衰减快、倍率性能差、首次库伦效率低等问题。本项目解析了材料在首次 4.5 V 处氧的行为机制及其与过渡金属阳离子之间的拓扑关联,通过元素掺杂、表面修饰及局域异质结构设计显著提高了材料的结构及电化学稳定性。一方面,通过掺杂Eu和Os元素来调控表层氧的空间配位环境并抑制本体材料中O-O二聚体的产生,极大地激发了材料的氧化还原活性,提高了阴离子氧化还原的可逆性。同时创新性地引入具有良好的催化活性的Pt纳米粒子,进一步地增强晶格氧的氧化还原反应和稳定晶体结构。另一方面,对材料进行局域异质结构设计,通过表面修饰富含丰富氧空穴的LiErO2、Eu2O3、完全环化聚丙烯腈,阻隔过渡金属元素的迁移路径,增强M-O的结合能并减少氧的不可逆损失。同时在材料表面或内部构建原子空位、结构缺陷等亚稳态局域异质结构:(1)SO42-和Ni2+的协同掺杂可以诱导氧空位和缺陷的形成;(2)分步共沉淀法诱导形成了尖晶石相;(3)Eu修饰诱导氧空位和表面岩盐相。局域异质结构的设计可以优化阴、阳离子的能带结构,增强电极反应中的耦合关联。在此基础上,构筑了新型异质结构,首次采用电化学离子交换法成功制备并拓展了具有新型带状超晶格结构的O2型锰基层状正极材料Lix[Li0.2Mn0.8]O2,实现了高度可逆的阴离子氧化还原。O2型结构拓宽了阴离子参与氧化还原反应的多样性,增强阴离子的电荷补偿能力,从本质上缓解富锂材料的本征结构与电化学缺陷,同时在钠离子储能领域等方向进行了拓展。综上,圆满完成了项目的预期成果:培养硕士生5名,博士生3名,发表SCI收录论文19篇,授权专利3项。
高容量二维MXenes材料多位点异质元素掺杂与结构调控及载流子传输机制
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    54万元
  • 批准年份:
    2022
  • 负责人:
    李建玲
  • 依托单位:
铝离子电池正极材料的调控及其与Al3+或[AlxMy]n-之间的静电效应耦合关系研究
  • 批准号:
    51772025
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    60.0万元
  • 批准年份:
    2017
  • 负责人:
    李建玲
  • 依托单位:
锂离子电池富锂层状材料氧与氧空位行为及局域结构衍变的研究
  • 批准号:
    51572024
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    64.0万元
  • 批准年份:
    2015
  • 负责人:
    李建玲
  • 依托单位:
碳载体诱导Schiff碱基氧化还原聚合物的结构生长控制及储能机理
  • 批准号:
    51372021
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    80.0万元
  • 批准年份:
    2013
  • 负责人:
    李建玲
  • 依托单位:
国内基金
海外基金