中文摘要：

本项目是针对尖晶石结构锰酸锂正极材料在锂离子动力电池中应用存在的Mn离子溶解和高温循环过程容量衰减快的关键问题，结合申请者课题组在锂离子电池正极材料与固态电解质方面十多年积累的研究基础，提出将固态电解质与锰酸锂晶粒原位复合的创新思路，制备具有壳核结构的正极材料/固态电解质新型复合正极材料。与常规的表面改性研究相比，将高锂离子导体固态电解质复合在尖晶石锰酸锂表面，阻隔正极材料与电解液的直接接触，减少因Mn2+离子溶解导致的正极材料结构破坏，既可解决锰酸锂正极材料的高温循环性能，又可提高电池的高倍率充放电性能。本课题重点研究与锰酸锂正极材料原位复合固态电解质的基本特性，研究非均质复合电极材料动态结构稳定性及锂离子传导机制。详细阐述非均质复合电极材料的界面结构以及复合效应对锂离子动力电池电化学性能的影响。本项目所形成的研究结果与技术体系可为电动汽车用低成本高性能锂离子动力电池

结论摘要：

本项目在深入分析现有正极材料体系优劣性的基础上，选用尖晶石结构锰酸锂正极材料作为研究对象。针对锰酸锂体系正极材料存在Jahn-Teller畸变和Mn离子溶解导致容量衰减快和高温循环性能差的关键问题，以锰酸锂正极材料与电解液的界面反应和锰酸锂正极材料与固态电解质之间的界面结构为研究切入点。采用阴阳离子共同掺杂与固体电解质原位复合技术相结合，改善和解决动力电池循环过程中，锰酸锂正极材料与电解液的接触反应而引发的容量衰减和安全性问题，提高锰酸锂的高温循环性能和动力电池的高倍率充放电性能。该项目采用阴阳离子复合掺杂（Ni-F、Co-S）技术，解决了锰酸锂正极材料的常温和低倍率循环性能，并优化了掺杂量和掺杂工艺，制备的锰酸锂正极材料的室温和0.1C倍率充放电容量达到120mAh/g。研究了Li-La-Ti-O，Li-Zr-Ti-O，Li-Al-Si-O, Li-Al-Ti-P-O等多个固态电解质体系在尖晶石锰酸锂晶粒表面的原位包覆工艺，制备出固态电解质包覆层分布均匀的尖晶石锰酸锂与固态电解质复合正极材料，优化了固态电解质的包覆量与包覆热处理温度。结果显示，2wt% Li-La-Ti-O和Li-Zr-Ti-O固态电解质包覆的共掺杂锰酸锂正极材料的高温和大倍率循环性有了显著的提高，尤其是在高温和大倍率充放电条件下，固态电解质与锰酸锂的复合效果尤其显著。目前制备的固态电解质包覆锰酸锂正极材料在高温（55℃）1C倍率放电容量达到115mAh/g，达到国际先进水平。采用拓扑化学转化法制备出棒状形貌的尖晶石锰酸锂正极材料。缩短了锂离子扩散距离，有效提高了锰酸锂正极材料的倍率特性。并且选择Li-Al-Si-O体系非晶态固态电解质对棒状锰酸锂进行包覆，有效提高了锰酸锂正极材料的高温及大倍率充放电性能。该棒状尖晶石复合正极材料10C放电容量达到93.9mAh/g, 200次循环容量保持率达到96.5%。另外，研究了高电压镍锰酸锂LiNi0.5Mn1.5O5体系存在的问题，制备出LiNi0.5Mn1.5O5与固态电解质LATP复合正极材料，解决了该体系高温循环过程中的容量衰减问题。该项目圆满完成了预定的研究任务，为尖晶石锰酸锂正极材料在锂离子动力电池及电动汽车电池中的应用，提供坚的技术支撑。在国际期刊发表相关学术论文12篇，申请发明专利3项，培养博士后1名，博士生1名，硕士生5名。