高性能锂离子电池电极材料的可控合成与性能多尺度调控

邓健秋; 卢周广; 锺志源; 席柳江; 程化; 姚青荣; 周怀营

2020

锂离子电池 电极材料 电化学性能 合成方法

该项目属于材料科学领域。锂离子电池是储能电池技术的首选，其性能的提升取决于电极材料的可控合成和性能优化调控。该项目立足广西储能电池发展的需求和丰富的矿产资源，瞄准锂离子电池电极材料的多维结构构筑与性能调控的关键科学问题，创新性地提出了多维结构电极材料的合成策略，揭示了锂离子在多维电极材料中迁移的规律，发现提高电极材料电化学性能的多尺度调控方法。主要科学发现如下： (1)丰富了一维纳米结构提升电极材料性能的调控策略。提出了原位液相沉积法合成一维Co₃O₄-Ag纳米线阵列和单晶Li₄Ti₅O₁₂纳米棒，为一维纳米结构材料的精准合成提供普适方法；发现一维纳米线/棒形貌保证了缩短的离子扩散路径同时保持材料结构稳定，导电包覆层提高材料的电子电导率，保证了良好的循环和倍率性能；开发了单晶Li₄Ti₅O₁₂纳米棒为负极的锂离子全电池。 (2)拓展了二维纳米薄膜结构提升电极材料性能的调控策略。利用脉冲激光沉积技术率先制备了LiFePO₄-Ag、LiNi_1/3Mn_1/3O₂与Li₄Ti₅O₁₂二维薄膜电极，揭示锂离子和电子在薄膜电极内部、电极与电解质界面间的传输机制，阐明薄膜结构劣化与低电导率诱导电极性能衰减的机理；通过调控薄膜电极的厚度和电子电导率，实现锂离子在薄膜电极中的快速传递，解决了薄膜电极电化学性能差和容易脱落的问题。 (3)发展了三维多孔微纳结构锰酸锂正极材料的构筑与性能调控策略。发现前驱体是自模板法合成多孔微纳结构LiMn₂O₄和LiNi_0.5Mn_1.5O₄材料，实现其优异电化学性能的关键;提出了构筑多孔球形和核壳结构椭球形貌结构优化锰酸锂材料电化学性能的方法，有效增加反应活性位点，促进电解质的浸润和吸附，提高比容量和高温循环性能；揭示了多孔微纳结构与形貌对材料性能提升的协同作用基本规律，解决了锂离子在多孔微纳结构电极材料中传输和储存不协调的问题，实现电化学性能调控。 该项目研究成果的8篇代表性论文发表在中科院JCR一区、Materials Science Q1期刊Advanced Functional Materials、Nano Research、Journal of Power Sources上，累计他引538次，其中SCI他引406次，单篇最高他引188次。研究成果得到相关领域的陈立泉院士、王中林院士、钱逸泰院士、李亚栋院士、俞书宏院士、K.Amine研究员等国内外著名权威专家在Nature Energy、Materials Today、Advanced Materials、Materials Science&Engineering R等期刊上发表的论文给予了正面评述和引用。项目组1人入选广西高校“千骨计划”人选和桂林电子科技大学首批“英才计划”人选，1人入选英国皇家化学学会会士，共培养了博士4人，硕士7人。该项目为探索开发高性能锂离子电池电极材料提供了理论依据和创新思路。

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1.桂林电子科技大学
2.南方科技大学
3.香港城市大学

邓健秋,卢周广,锺志源,等. 高性能锂离子电池电极材料的可控合成与性能多尺度调控. 2020.