锂离子电池正极材料的结构设计与改性

正极材料是目前锂离子电池中锂离子的唯一或主要提供者,也是锂离子电池能量密度提高和价格降低的瓶颈.本文在简要介绍几类典型的正极材料结构、性能特点及存在的主要问题后,重点介绍本实验室近年来在正极材料的表面改性和结构设计方面的研究进展.     

锂离子电池用富锂层状正极材料

正极材料与负极材料是锂离子电池重要组成部分。目前锂离子电池负极材料比容量通常在300mAh/g以上,而正极材料比容量始终徘徊在150mAh/g。正极材料正在成为锂离子电池性能进一步提升的瓶颈。富锂层状正极材料是一类新型正极材料,其可逆容量在200mAh/g以上,其高容量特性引起人们的广泛关注。这类材料可以用xLi₂MO₃·(1-x)LiM'O₂ (M 为Mn, Ti, Zr之一或任意组合; M'为Mn, Ni, Co之一或任意组合; 0≤x≤1)形式表示。由于其组成与结构的特殊性,这类富锂层状正极材料的充放电机理也不同于其它含锂过渡金属氧化物正极材料。本文介绍富锂层状正极材料的合成、结构与充放电机理,重点介绍近年来通过改性提高其电化学性能方面的研究进展,指出目前富锂材料研究中存在的问题,探讨未来的研究重点。     

Temperature-Dependent Dynamic Properties of LixMn2O4 in Monte Carlo Simulations

Monte Carlo (MC) simulations are used to simulate the voltage profile and the ionic conductivity s of Li ions in LixMn2O4 and its dependence on the lithium concentration x. The open circuit potential shows clearly the two plateaus in the charge/discharge curve, which agrees well with the experimental results. The two plateaus become more and more steep when the temperature is increased. The simulated ionic conductivity shows an M-shaped curve in the plot of ionic conductivity cr versus x when the simulation temperature is low. Interestingly,the minimum valley, which lies at the middle single-phase area near x=0.5, disappears gradually when the temperature increases to 453K.     

二硫化钦作为锉离子电池负极材料的特性

采用固相法合成了纯六方相的TiS₂粉体. X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)结果表明该材料具有特征层状结构, 其颗粒大小在10-20 μm之间. 作为锂离子电池负极材料, TiS₂在3.00 V(vs. Li⁺/Li)以下有3个明显的放电平台, 首次可逆容量达668 mAh·g^-1, 在第一个放电电压范围(3.00-1.40 V)内具有优异的循环可逆性. 深度放电时由于Li₂S的生成和材料颗粒严重破碎, 在低于0.50 V时材料的循环性能不佳. 通过减小材料颗粒度和提高导电剂含量, TiS₂的电化学性能得到显著改善.     

锂离子电池中的尺寸效应与表界面问题研究

文章介绍了锂离子电池中的尺寸效应与表界面问题的研究.从热力学与动力学方面讨论了小尺寸材料与体材料性质的区别以及作为储能材料的优缺点.从实际考虑,建议发展动力学稳定的纳米结构电极材料.     

稳定富锂层状氧化物正极材料的结构与性能

因高能量密度和高能量转换效率,锂离子电池已被广泛应用于便携式电子设备和电动交通中。富锂层状结构氧化物以高达300 mAh·g^-1的可逆容量成为能量密度350 Wh·kg^-1及以上动力锂离子电池的重要候选正极材料。但是,欲使这类材料获得实际应用,就必须解决循环过程中结构衰退带来的一系列问题。本文重点介绍近几年来笔者所领导的研究组通过元素筛选实现材料的表面和体相掺杂,通过全新的结构设计稳定材料结构和性能方面的努力。同时,为使读者对国内外重要研究组在相关方面的研究进展也有所了解,我们也将从元素替代、结构一体化表面修饰(包括多层表面修饰和浓度梯度材料)、表面包覆和表面掺杂等方面介绍他们的重要研究成果。最后,将对该类材料的未来发展方向作出展望并给出我们的一些思考。     

高陶瓷含量复合固态电解质

全固态锂二次电池兼具高能量密度和高安全性特点。高陶瓷含量的陶瓷-聚合物复合固态电解质综合了聚合物电解质的柔韧性和陶瓷电解质的高机械强度与高锂离子迁移数等优点,有望优先其他形式固态电解质应用于全固态锂二次电池。本文在简要介绍固态复合电解质后,重点从复合电解质膜的性能特点与制备方法、陶瓷-聚合物界面相互作用以及由此导致的新的离子传导机制等方面介绍高陶瓷含量陶瓷-聚合物复合固态电解质的研究进展。最后,展望了复合固态电解质所面临的一些基础科学与应用问题,并从陶瓷-聚合物界面相互作用角度提出未来复合固态电解质的研究方向和可能的解决方案。我们希望本文对于其他传导离子的复合电解质也有借鉴和启发意义。     

First Principles Study on NaxLi1-xFePO4 As Cathode Material for Rechargeable Lithium Batteries

The electronic structure and ionic dynamic properties of pure and Na doped （Li site） LiFePO4 have been investigated by first-principles calculations. The band gap of the Na doped material is much narrow than that of the undoped one, indicating of better electronic conductive properties. First-principles based molecular dynamic simulations have been performed to examine the migration energy barriers for the Li ion diffusion. The results shown that the energy barriers for Li diffusion decreased a little along the one-dimensional diffusion pathway, indicating that the ionic conductive property is also improved, as compared with the high valance doping （such as CF） cases.     

聚吡咯-过渡金属-氧配合物储锂材料的结构与性能研究

目前锂离子电池电极材料主要使用无机材料. 近年来有机物电极材料虽有报道,但这些材料大都比容量低、倍率性能差. 本文介绍一类新型有机金属配合物聚吡咯-过渡金属-氧储锂材料的合成、结构及电化学性能. 结合扩展X-射线吸收精细结构谱分析和密度泛函理论计算,发现这类材料呈现多层结构特征,层内稳定的过渡金属-吡咯N的配位作用及循环过程中层间过渡金属-氧键的可逆断裂和结合使该类材料具有很高的储锂容量和循环稳定性,且聚吡咯导电网络使得该材料具有良好的倍率性能. 这类新材料将有望成为锂离子电池的高比容量负极材料.     

Highly Emcient Dye-Sensitized Solar Cells Using a Composite ElectrolyteConsisting of LiI（CH3OH）4-I2, SiO2 Nano-Particles and an Ionic Liquid

Solid-state electrolyte LiI(CH3OH)4-I2 is used in dye-sensitized solar cells (DSSCs). The DSSCs using only the LiI(CH3OH)4-I2 electrolyte show very poor performance due to the quick crystal growth of LiI(CH3OH)4. In order to improve the performance of DSSCs, we prepare a composite electrolyte by adding Si02 nano-particles and an ionic liquid, 1-methyl-3-ethylimidazolium iodide, into the original solid-state electrolyte. High efficiency of 4.3% is achieved by applying this composite electrolyte to DSSCs.