[01772593]锂离子电池正极材料磷酸钒锂的研发

一、课题来源与背景 化石能源的日益紧缺迫使人们更加注重对风能、太阳能等新能源的开发和利用。目前,大规模能量存储用的电池有三类,即铅酸电池、镍氢电池和锂离子电池。铅酸电池污染大、克容量小和镍氢电池自放电率高、比能量较小、记忆效应和充电发热等方面的问题直接影响其实际使用。锂离子电池是90年代发展起来的高容量可充电电池,比能量大、循环寿命长、自放电率小、无记忆效应,能够满足对体积、寿命、功率等要求较高的储能领域的需求,已成为今后便携式电子产品、汽车动力和大规模能量储存的理想产品。 二、研究目的与意义 锂离子电池使用的正极材料主要是锂过渡金属氧化物,包括六方层状结构的LiMO2（M=Co、Ni、Mn以及三者混合）,尖晶石结构的LiMnO2以及聚阴离子类正极材料如橄榄石结构的LiMPO4（M=Mn、Fe、V）。在这些正极材料中,磷酸钒锂（Li3V2（PO4）3-）的理论容量为197mAh/g,理论电压高达4.8V,具有很高理论能量密度,是当前能量密度较高的锂离子正极材料之一;此外聚阴离子磷酸根,热稳定高,具有很高安全性,是其它众多正极材料难以比拟的。且磷酸钒锂电导率比LiFePO4稍高,因其在正极材料中具有极高的潜在应用价值。同时我国拥有较为丰富的钒资源,故开展新型锂离子电池正极材料磷酸钒锂的研究具有重要意义。 三、主要论点与论据 单斜结构的磷酸钒锂由PO4四面体与VO6八面体通过共用顶点的氧原子形成三维网状骨架结构,热力学性质非常稳定。但是,由于VO6八面体被聚阴离子基团-PO4四面体分隔开来,导致Li3V2（PO4）3材料的电子电导率只有约10-7S/cm,使得材料的高倍率放电特性很不理想,如快速的容量衰减和循环稳定性差。所以,提高Li3V2（PO4）3材料的导电性如材料纳米化、掺杂、包覆等显得尤为重要。 由于纳米材料制备技术日益成熟,获得纳米尺度的电极活性材料被认为是有效提高电化学性能的手段。将Li3V2（PO4）3正极材料纳米化有以下的优势：提高材料与电解质的接触面积从而提供更多的锂离子参与电化学过程,减小锂离子在Li3V2（PO4）3材料中的扩散距离。但材料的纳米化也极易导致材料团聚,影响了离子与电子的传导;另外由于纳米化的Li3V2（PO4）3材料比表面较大活性较高,和电解液接触面增大,使得材料的首次充放电效率较低,后续的充放电过程中材料容易被电解液侵蚀。因此在纳米化的基础上还需要对材料进行表面包覆来改善材料可能存在的团聚与侵蚀以提高材料的电化学表现。 本项目从Li3V2（PO4）3材料的制备入手,结合纳米复合材料的最新制备技术,获得结构稳定的Li3V2（PO4）3/C复合材料,对材料进行性能评估,分析实验结果,尝试并得到提高其循环性能及高倍率性能的关键技术,进一步降低制备成本促进磷酸钒锂材料的商业化进程,获得自有技术,并将这一技术应用到生产中,从而推动储能行业 的技术革新,带动能源相关产业健康发展。 四、创见与创新 研究组成员在项目支持下,合理分工,密切合作,开发完成项目核心的碳包覆磷酸钒锂的制备,并获得了具有优异性能的物料形貌如空心球、近立方体等,在此研究基础上,课题组成员扩大研究范围,获得了原料易于得到、电池性能优良的金属氧化物等电池材料,项目研究实现了各项技术指标,达到了既定的工作指标和任务。具体的完成情况如下： （1）课题组成员在实际研发工作中,通过水热法、固相球磨法、气溶胶辅助喷雾热解技术等多种制备方法获得了多种磷酸钒锂的样品。 （2）制得的磷酸钒锂样品,经过电池性能测试发现,首次放电比容量可以达到200mAh/g,经过200次充放电循环后,容量仍可保持在140mAh/g以上。 （3）申请发明专利8项,发表SCI论文10篇。 （4）创新性地使用多种方法制备出具有规则形貌的磷酸钒锂微观结构。 五、社会经济效益及存在的问题 在项目的研究过程中,课题组成员在电池正负极材料的合成、性能研究等方面取得丰富的研究成果,为磷酸钒锂等电池材料在能源领域的应用提供一定的理论基础。但在研究过程中,仍存在以下问题： （1）产品的应用进展缓慢：主要原因是中试环节在企业进行,企业生产压力大,对中试的投入不足,难以进行规模化中试。 （2）与企业深入合作难度较大：企业主要是采购现有产品进行加工包装,对现有产品依赖性高,对自主研发动力不足,投入不到位。 六、历年获奖情况 （1）课题组成功获批教育厅创新团队1个; （2）课题组成员多次获得研究生国家奖学金等。