[00141064]高容量多孔Li2Fe1-x-yMnxMySiO4/C纳米复合材料的制备及储锂性能研究

2005年,聚阴离子型Li2MSiO4 （M=Fe,Mn）受到了研究者的关注。由于M存在二价和四价之间的变化,因而可以实现两个锂离子的脱嵌,其理论容量高达 331 mAhg-1,远高于目前普遍研究的锂离子电池正极材料。同时聚阴离子形成的稳定的三维骨架能够在充放电过程中使得材料保持较小的体积变化率,因而具有循环稳定性好的优点。此外,硅在地壳中占26.3%居于第二位,铁占5.8%居于第四位,锰在地壳中也有较高的储量,原料储量丰富且来源广泛,可以大大降低电池的成本。因此,多电子转移Li2MSiO4材料是一类非常有潜力的锂离子电池正极材料。 Li2MSiO4（M=Fe,Mn）虽然继承了聚阴离子结构稳定的优点,然而却也同样存在着电子/离子导电率低的缺点。此外,M3+/M4+之间转换需要较高的能量,因而Li2MSiO4的第二个Li+的可逆脱嵌受到了较大影响。本项目主要针对这些问题,采用模板法、氮掺杂碳包覆层、单/双离子掺杂等方式进行改善,通过缩短锂离子扩散路径,提高导电率以及降低第二个锂离子可逆脱嵌的活化能,以期得到导电性良好,锂离子扩散系数较高,结构稳定、电极反应表观活化能较低,室温 0.2 C 放电比容量高于 240 mAhg-1 的高容量 Li2Fe1-x-yMnxMySiO4/C 纳米复合材料。 项目采用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）和多孔有机框架化合物（PAF）为模板,制备多孔材料,并探究其储锂性能以及作为锂硫电池电极材料的电化学性能。采用溶胶凝胶法分别以硝酸钐、氧化钐、硝酸锌、硝酸锰、尿素等为掺杂原料,硝酸锂、硝酸铁、硅酸四乙酯为锂源、铁源和硅源制备Sm、Zn、Mn、N元素掺杂的Li2FeSiO4/C复合材料。探讨掺杂元素含量以及掺杂元素性质对材料物相、形貌及电化学性能的影响。并在Mn掺杂的基础上加入Co、Cr、Sn等第二掺杂元素,探讨两种掺杂金属含量对材料物相、形貌及电化学性能的影响。实验结果表明将氮掺杂到碳层中能有效提高材料的电化学性能,单一元素掺杂时首先要考虑原子半径大小是否适宜,双金属元素掺杂不仅要考虑双金属元素的原子半径大小,同时还需考虑其电负性的影响。 其中Mn-Sn共掺杂效果最好,LFS-Mn4-Sn1样品在0.1、0.2、0.5、1、3C再回到0.2C的倍率下的放电比容量分别为327.3、283.1、256.0、220.4、168.1和268.7 mAh g-1。 本项采用简单溶胶凝胶法目成功制备出了室温0.2C放电比容量高于240mAhg-1的高比容量Li2FeSiO4/C复合材料,同时基本了解了掺杂元素性质对材料电化学性能的影响规律。为聚阴离子型正极材料的改性提供了新的思路与指导。 在项目基金的支持下,发表SCI期刊论文4篇,中文核心期刊2篇（其中一篇已接收,2020年9月份排版出页码）申请国家发明专利2项。培养研究生三人,本科生5人。