[00127742]三元全活性磷基化合物作为锂离子电池新型负极材料的基础研究

为解决锂离子电池用单活性P材料作为负极时离子输运慢、电子传导差,体积膨胀等问题,本项目拟用具有较好的离子、电子传导的Zn、Cu元素以及IVA元素引入到P中制备新型多元活性负极材料,以研究各个元素之间的协同作用,从而提升综合性能并理清其构效关系,开发高能量密度的锂离子动力电池负极材料。具体的：1)在材料制备及物质基础的方面本项目不但成功将具有储锂活性的P、Zn和Si同时引入到闪锌矿结构中,用高能球磨法合成具有阳离子无序的立方闪锌矿结构的ZnSiP2化合物。还扩展到电化学性能优异、电位可调的阳离子无序Zn（Cu）-Si-P系列三元全活性锂离子电池负极材料。通过将ZnSiP2中Si用电子导电性、锂离子传导性更好的IV族元素Ge替换,开发出电化学性能优异的阳离子无序ZnGeP2。并在三元全活性磷基负极的基础上,开发双活性组元的Ge-P负极。还通过非晶工程以及异质界面的构筑优化用于锂/钠离子电池的高性能Zn-P、Ge-P、Cu-P多相负极材料。此部分研究内容按照计划完成了目标内容,还开发了一系列优质锂离子、钠离子电池负极材料。2)晶体结构及理论计算方面通过XRD精修和第一性原理计算获得晶体结构和电子结构的特性,如结构柔性、电子能带结构、态密度等等,考察电导特性并从微观的角度解释了材料及中间相的电导的特性。通过计算结合能推测离子在晶格的最优占位以及由此引起的物相及性质变化,揭示了材料优异性能的原因,为机理提供物性依据及理论指导。本项目完成了首次对阳离子无序ZnSiP2及其系列负极材料的结构特点以及储锂的中间产物的性质的研究,揭示了阳离子无序ZnSiP2及其系列材料电化学性能优异的原因,并在此基础上成功理清无序相ZnGeP2晶体结构和电子结构的特性。接着扩展到了二元层状GeP的本征形成能以及其嵌锂嵌钠中间相特性与电化学性能的关系。为其优异的电化学性能做出合理的解释。最后探究了二元相Zn-P、Ge-P、Cu-P的结构优势对电化学性能的影响。3)储锂性能及构效关系方面成功通过用全方位的表征手段（XRD、XPS、HRTEM和Raman）得出ZnSiP2、Zn（Cu）-Si-P系列固溶体、ZnGeP2、GeP、ZnP2等材料储锂反应机理。通过考察容量、物相变化情况,材料电子能带结构、态密度及中间相的物化性质,本征结合能等,在结合全方位表征技术下成功理清材料储锂特性、机制与该系列材料本身及其嵌锂中间相的组分、结构、理化性质之间的构效关系,阐明嵌锂中间相之间的协同作用机制,为结构设计提供指导。项目成功制备新型锂离子负极材料4种;发明专利申请12项;已发表标注基金标号SCI/EI/ISTP论文8篇,其中IF＞30的1篇、IF＞10的5篇;培养硕士生4名。