锂离子二次电池高比容电极材料非水界面过程的谱学研究
批准号:
21373008
项目类别:
面上项目
资助金额:
83.0 万元
负责人:
李君涛
依托单位:
学科分类:
电化学
结题年份:
2017
批准年份:
2013
项目状态:
已结题
项目参与者:
Jolanta SWIATOWSKA、甄春花、林志彬、刘杰、苏航、吴娇红、张倩、方俊川
中文摘要
锂离子二次电池的电化学性能和安全性不仅与电极材料,也与其电极/电解液的非水界面过程相关。高比容、高功率电极材料导致其界面过程在热力学和动力学层面上的复杂化。目前对各种新型高比容电极材料的界面过程研究的报道还非常少。因此本项目继续发展通过FTIRS(原位/非原位),EQCM(原位),XPS、ToF-SIMS(非原位,与手套箱相联)等技术研究锂离子二次电池界面过程的方法。从分子水平、微观层次认识硅基负极材料和三元富锂正极材料的非水界面过程,这些过程主要包括:电解液在硅负极上的还原和高电位时在三元富锂正极分解过程,不同电解液中SEI生成变化和化学组分,锂离子在固相材料中的分布和扩散,以及两种电极材料容量衰竭的界面因素。分析界面反应的机理和对电池性能的影响。研究结果有助于发展认识锂离子二次电池界面过程的研究方法和非水电解质理论,并为进一步提高锂离子二次电池电化学性能和安全性能提供理论依据。
英文摘要
The electrochemical and safety performance of lithium ion battery are strongly depended on not only the electrode material, but also the non- aqueous electrode/electrolyte interfacial processes. The electrode of high energy density make the interface processes more complicated at thermodynamic and kinetic aspect. Up to now, however, the research about interfacial processes of electrode material with high energy density is rarely reported. .The scope of this project is development of the spectroscopic investigation of interfacial processes by Fourier transform infrared reflection spectroscopy (FTIRS, in situ/ex situ), electrochemical quartz crystal microbalance (EQCM, in situ), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS, connected with glove, ex situ), and time of flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS, connected with glove, ex situ ). By the advantages of these spectroscopic techniques, we try to understand their interfacial reactions on Si-based and Li [Li-Ni-Mn-Co]O2 at molecular level. The interfacial processes mainly include: the reduction of electrolyte on Si-based anodes, the oxidation decomposition on Li [Li-Ni-Mn-Co]O2 at high electrode potential, the formation and chemical composition of SEI layer in different electrolyte, the diffusion and distribution of lithium ion in the electrode material, and the decay of the charge/discharge capacity induced by the interfacial processes. .In this project, we will discuss the rule of interfacial reaction, especiaaly the decomposition of electrolyte and formation of SEI layer. The influence of interfacial processes on electrochemical and safety performance of Si-based anode and [Li-Ni-Mn-Co]O2 cathode will also be discussed in detail. This project is devoted to: (1) new methods to investigate the interfacial processes, (2) new approaches to improve the electrochemical and safety performance lithium ion battery and (3) new theory for the non-aqueous interfaces.
锂离子电池高比能电极材料(硅基负极、富锂氧化物正极)的界面过程对其电化学性能有重要影响。深入认识、控制、改性这些高比能电极材料的界面过程,是提高其性能的关键。本课题研究内容主要是通过发展原位/非原位谱学技术,认识硅基负极、富锂氧化物正极在充放电时的界面过程,从而指导高能电极材料的设计与制备。在本课题资助下,取得的主要成果如下:(1)继续发展了锂离子电池界面过程的谱学研究方法。搭建了多种锂离子电池界面过程谱学表征技术和设计了原位电解池。主要包括:原位FTIR, 原位EQCM, 原位XRD,原位EIS, 和准原位XPS等。(2)通过所建立的谱学技术,研究了硅基负极和富锂氧化物正极材料在充放电时的界面过程,包括:电极材料的结构和相变,锂离子的扩散,SEI膜化学组分、生成和变化,电解液的分解等。(3)通过溶剂热法制备具有层状-尖晶石复合结构的富锂氧化物正极材料,该材料表现优异首次库伦效率和倍率性能。在各个倍率下, 层状-尖晶石复合结构的富锂氧化物正极材料都给出比纯层状材料高出 15% 左右的首次充放电库伦效率。在 10 C倍率下,该材料稳定放电容量为 193 mAh/g;以KCl作为熔融盐合成了富锂氧化物正极材料,并讨论了熔融盐比例和温度对其电性能的影响;采用化学腐蚀和电化学还原的方法,在铜片表面制备树叶状三维多孔结构,再通过磁控溅射制得性能优异的3 D硅薄膜材料将纳米硅颗粒负极材料,该材料在4.2 A/g下120 周循环后容量为1015 mAh/g;制备了具有高振实密度的纳微结构的硅/碳复合物,有效地缓解纳米硅颗粒的体积变化效应。该硅/碳复合物负极材料在420 mA/g下,循环1000 周后,容量为600 mAh/g。(4)提出通过高机械性能水性粘结剂,稳定硅基、富锂氧化物正极材料界面,从而提高其电化学性能的方法。研究表明通过瓜儿豆胶、海藻酸等类型粘结剂可以大幅提高硅基负极和富锂氧化物正极材料的循环性能。本课题的研究结果有助于发展锂离子电池界面过程的原位研究方法和非水电解质理论。在本课题资助下,发表SCI学术论文30篇,申请中国发明专利2件,获得中国发明专利1件,培养了4名毕业研究生。课题负责人在国际学术会议上作邀请报告2次,2016年获得福建省高校新世纪人才支持计划。
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A Robust Ion-Conductive Biopolymer as a Binder for Si Anodes of Lithium-Ion Batteries
一种坚固的离子导电生物聚合物作为锂离子电池硅阳极的粘合剂
DOI:
10.1002/adfm.201500589
发表时间:
2015-06-17
期刊:
ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS
影响因子:
19
作者:
[Liu, Jie, Zhang, Qian, Sun, Shi-Gang]
通讯作者:
Sun, Shi-Gang
A high-performance alginate hydrogel binder for the Si/C anode of a Li-ion battery
用于锂离子电池 Si/C 负极的高性能藻酸盐水凝胶粘合剂
DOI:
10.1039/c4cc00081a
发表时间:
2014-01-01
期刊:
CHEMICAL COMMUNICATIONS
影响因子:
4.9
作者:
[Liu, Jie, Zhang, Qian, Sun, Shi-Gang]
通讯作者:
Sun, Shi-Gang
Synthesis of hierarchical worm-like SnO2@C aggregates and their enhanced lithium storage properties
多级蠕虫状SnO2@C聚集体的合成及其增强的锂存储性能
DOI:
10.1016/j.jallcom.2014.08.176
发表时间:
2015-01
期刊:
Journal of Alloys and Compounds
影响因子:
6.2
作者:
[Wu Zhen-Guo, Li Jun-Tao, Zhong Yan-Jun, Liu Jie, Guo Xiao-Dong, Huang Ling, Zhong Ben-He, Sun Shi-Gang]
通讯作者:
Sun Shi-Gang
Improving the Electrochemical Performance of Li1.14Ni0.18Mn0.62O2 by Modulating Structure Defects via a Molten Salt Method
熔盐法调节结构缺陷改善Li1.14Ni0.18Mn0.62O2的电化学性能
DOI:
10.1002/celc.201500390
发表时间:
2016
期刊:
CHEMELECTROCHEM
影响因子:
4
作者:
[Zhang Tao, Li Jun-Tao, Liu Jie, Deng Ya-Ping, Wu Zhen-Guo, Yin Zu-Wei, Wu Jiao-Hong, Huang Ling, Sun Shi-Gang]
通讯作者:
Sun Shi-Gang
New Insights into the Structure Changes and Interface Properties of Li3VO4 Anode for Lithium-Ion Batteries during the Initial Cycle by in Situ Techniques
原位技术对锂离子电池 Li3VO4 负极在初始循环过程中结构变化和界面特性的新见解
DOI:
10.1021/acsami.6b07811
发表时间:
2016
期刊:
Acs Applied Materials & Interfaces
影响因子:
9.5
作者:
[Zhou Li-Li, Shen Shou-Yu, Peng Xin-Xing, Wu Li-Na, Wang Qi, Shen Chong-Heng, Tu Ting-Ting, Huang Ling, Li Jun-Tao, Sun Shi-Gang]
通讯作者:
Sun Shi-Gang
共 31 条
锂离子电池层状氧化物正极材料高电压下结构演变机制与性能调控
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批准号:--
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项目类别:面上项目
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资助金额:54万元
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批准年份:2022
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负责人:李君涛
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依托单位:
高分子聚合物用于稳定高比能负极材料界面及其机理研究
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批准号:21875197
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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:2018
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负责人:李君涛
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依托单位:
锂离子电池纳米材料电极界面过程的FTIRS、EQCM原位研究
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批准号:21003102
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:20.0万元
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批准年份:2010
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负责人:李君涛
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依托单位:
国内基金
海外基金