具有高容量快速充电特性的三维结构薄膜Li离子电池研制

摘要 本项目研究了以硅微通道板作为负极的锂离子电池的制备以及充放电特性， 研究了磷酸铁锂正极材料对于提高三维锂离子电池行为的影响。研究发现多孔化磷酸铁锂可以提高循环性能。由于锂离子的扩散特性相当强，原先设想的在通道内部实现三维电池的想法无法实现。但是在研究中发现，在充放电过程中，硅负极材料的体积变化达到300%，而硅微通道板结构为体积的变化容留了空间，提高了硅作为锂离子电池负极的循环性能；研究还发现，硅微通道板壁的厚度对改善循环性能影响很大，适当减薄可以提高循环特性。作为项目的拓展，研究了在硅微通道板基础上制作的Co(OH)2、Ni(OH)2等电极材料的超级电容性能，发现该材料具有较高的质量比电容，加入碳球可以改善充放电特性，提高容量。探索了石墨烯/MnO2/硅微通道板超级电容特性，发现石墨烯可以极大地改善循环性能，即使达到20000圈，也还有较大容量，并且充电和放电速度亦有显著增加。本项目已经发表相关SCI论文16篇，在本项目资助下已经毕业博士生3名，硕士生11名。本项目已经完成原计划书规定的任务。 2100433B

本项目探索利用硅微通道板构建具有快速充电且具有较高容量的三维薄膜锂离子电池。采用业已成熟的电化学刻蚀工艺制作硅微通道板，无电镀镍作为电流收集极，研究MoS2、碳纳米管等负极材料以及LiFePO4、LiCoO2等正极材料在微通道中的均匀沉积及其对电学行为的影响，探索PVDF-HEP等有机电解质材料以及锂磷氧氮等无机电解质材料在硅微通道中的沉积，构建两种不同结构的三维锂离子电池，即以硅微通道板/Ni/MoS2/电解质/磷酸铁锂（或钴酸锂）构建第一种方案的三维薄膜锂离子电池和以硅微通道板/Ni/磷酸铁锂（或钴酸锂）/电解质/碳纳米管构建第二种方案的三维薄膜锂离子电池，研究比较两种不同构造的三维锂离子电池的充放电特性和工艺路线并确定其中一种结构进行重点研究，从而形成能够适应三维电池结构的优化的制作方法，最终获得具有快速充电特性、和一定容量的新型结构薄膜锂离子电池，并由此获得相关制作方法和工艺。

实现高功率化是动力型锂离子电池研发过程中亟待解决的关键问题之一,本项目旨在制备新型纳微分级结构Li4Ti5O12/Sn复合材料，并研究其在高功率锂离子电池负极材料中的应用。结合Li4Ti5O12 和金属Sn各自可以互补的优缺点，我们期望获得具有优异的循环性能、倍率性能和安全性能的高功率锂离子电池负极材料。基于纳微分级结构有利于提高材料电化学性能的特点，拟设计并合成一系列新型纳微分级结构Li4Ti5O12/Sn复合物，研究材料的形貌、组分比例、比表面积、孔隙率、孔径分布、离子扩散速度以及电子传导能力等因素对该材料倍率和循环性能的影响，探讨其微观结构形貌与电化学性能的内在关系；研究该负极材料与锂离子电池体系中其它电池材料的相容性，提出一种采用Li4Ti5O12/Sn作为负极材料的高功率锂离子电池新体系。