[00767168]钒酸锂基新型锂离子电池

锂离子电池具有高能量密度、长循环寿命、高低温性能好、无记忆效应等优点，已广泛应用于各类便携电子产品，也被视为未来电动交通工具的理想电源。商用石墨类碳负极材料理论容量较低(372mAh·g^-1)，且存在锂枝晶析出的安全隐患，制约了锂离子电池能量密度与高安全性能的发展。项目主要围绕高安全性能、高能量密度锂离子电池进行材料开发与电池设计研究，属能源与新材料领域。 研发高性能锂离子电池的关键与难点在于研制出具有优异性能的负极材料，材料体系构筑与设计是亟需解决的关键科学问题。为此，该项目从材料储锂机理入手，在系统分析嵌入/脱嵌型、转换型、合金/去合金化型材料电化学特征基础上，明确了将体积效应小、可逆性好的嵌入/脱嵌型负极材料作为潜在商用化负极的研究思路。为构筑新型、嵌入/脱嵌型负极材料，项目借鉴了商用正极材料的工作原理(以LiFePO₄为例，Li⁺脱出/嵌入伴随着Fe²⁺的可逆氧化/还原)，将“可变价过渡族金属元素V”作为构筑新型负极材料的核心元素，筛选出多元钒基材料(MxVyOz，M=Fe、Co、Ni、Cu、Zn等)体系。经深入研究MxVyOz(M=Fe、Co、Ni、Cu、Zn等)储锂机理发现，Li+嵌入伴随着Mn+(M=Fe、Co、Ni、Cu、Zn)的还原，导致MxVyOz结构破坏和较大体积效应，不具备实用前景。在此基础上，项目尝试通过低还原电位(vs.Li)Li+替代Mn+，增强多元钒基材料嵌锂过程中的结构稳定性，实现Li⁺可逆嵌/脱。经不断尝试，成功制备了Li₃VO₄负极材料。 Li₃VO₄是一种新型、嵌入/脱嵌型负极材料，兼具能量密度(理论容量591mAh·g^-1)与安全性能优势(放电平台0.2-1.5V)，极具应用价值。受制于合成方法(Li₃VO₄具有极强的吸水性，合成通常需高温烧结，难以实现形貌与结构调控)，Li₃VO₄负极材料研究进展缓慢(国内、外关于Li₃VO₄负极材料研究报道共70余篇)。该项目旨在针对Li₃VO₄负极材料基础与应用研究面临的关键问题进行研究，最终促进其实际应用。一方面，发展了中间液相特色合成方法制备Li₃VO₄基负极材料，围绕材料的结构设计、电化学重构机理、储锂机制及性能调控开展了系列工作，成果在Adv.Energy Mater.，J.Mater.Chem.A，J.Power Sources等权威期刊发表第一(通讯)作者论文13篇，授权发明专利4项。研究工作被山东大学钱逸泰院士和杨剑教授、华中科技大学李会巧教授和日本国立产业技术综合研究院周豪慎教授、西班牙马德里自治大学Tartaj Pedro教授等多次系统报道(每次报道引用Li₃VO₄论文6篇以上)，获国家自然科学基金“钒酸锂基嵌锂负极材料的结构设计、电化学重构机理及性能调控研究”(NSFC，51672158)资助。另一方面，围绕Li₃VO₄负极材料实际应用面临的主要技术问题进行了攻关，开展了Li₃VO₄基全电池研发。针对Li₃VO₄负极材料的工作电压区间相对较高，与之匹配的高容量、高电位正极材料开发较少的具体情况，项目设计合成了LiFePO₄、Li₃V₂(PO₄)₄等正极材料，并与Li₃VO₄构造出了全电池。研究获湖北省杰出青年科学基金“高能量、功率密度Li₃VO₄//Li₃V₂(PO₄)₄全电池结构设计与性能研究”(2019CFA084)资助。研究进展受邀在第19届全国固态离子学会议暨16届亚洲固态离子学会议、中国有色金属第三期优秀青年学者论坛、“新能源材料与器件”青年学者论坛上与同行进行了报告分享。 项目为Li₃VO₄负极材料研究及Li₃VO₄基全电池设计积累了有价值数据和可借鉴经验，将促进Li₃VO₄负极材料的实际应用及高性能Li₃VO₄基全电池研发。