新型锂离子电池正极材料LiFeSO4F的掺杂改性研究

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基本信息

  • 批准号:
    51272088
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    80.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0208.无机非金属能量转换与存储材料
  • 结题年份:
    2016
  • 批准年份:
    2012
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2013-01-01 至2016-12-31

项目摘要

LiFeSO4F was discovered as a new cathode material for lithium ion batteries in 2010. The specific energy of LiFeSO4F is similar to that of LiFePO4, with a little higher discharge voltage of 3.6 V. The material has a unique 3D framework, which facilitates the Li+ ion diffusion and transportation. Therefore, LiFeSO4F is regarded as a promising sulphate based cathode material for lithium ion batteries. However, the extremely low electronic conductivity of LiFeSO4F seriously hinders the high rate charge-discharge performance of the material. .The proposed research program aims to increase the electronic conductivity of LiFeSO4F to improve its high rate cycling performance. The first stage of the research is to study the relationships between the electronic/crystal structures, physical properties and electrochemical performance of LiFeSO4F with combinative experimental techniques and first principle calculations. This will enable us to find out the key factors those limit the electronic conductivity and Li+ ion diffusion of the material. Based on this, cation (or anion) doped LiFeSO4F will be designed by first principle calculations, and then be prepared by a novel solvent thermal synthetic method. The doped materials will show much higher electronic conductivities, which will lead to excellent high rate cycling performance. .The first principle calculations will be performed by the local spin density approximation (LSDA), generalized gradient approximation (GGA), or the LDA + U, GGA +U methods. Different experiemental techniques will be used to study the structural and physical properties of the material, such as X-ray diffraction (XRD) , scanning electron microscope (SEM), transmission electron microscope (TEM), high resolution transmission electron microscope (HRTEM), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), Mossbauer spectroscopy, and SQUID PPMS etc. The electrochemical properties of the material will be studied by charge-discharge cycling, cyclic voltammetry (CV), electrochemical impedance spectroscopy (EIS), galvanostatic intermittent titration technique (GITT) and potentiostatic intermittent titration technique (PITT)..Based on this research, we will obtain doped LiFeSO4F cathode materials which show excellent high rate performance. In parallel, the results obtained form this study will provide a model for the design of cathode materials using first principle calculations.
LiFeSO4F是2010年发现的新型硫酸盐基锂离子电池正极材料,具有重要的应用前景。该材料的工作电压适中,比能量与LiFePO4相当,其独特的三维晶体结构更有利于锂离子的扩散。但是,LiFeSO4F的电子绝缘性严重影响了材料的高倍率充放电性能。针对这一科学问题,本项目拟从材料的晶体结构和电子结构入手,结合第一性原理计算与实验研究,建立起LiFeSO4F的结构、物理性质与电化学性能之间的构效关系模型,揭示影响材料电子导电与离子扩散的关键因素。在此基础上,通过适当的离子掺杂对材料的结构进行调制与剪裁,显著提升材料的电子导电率,从而获得较高的锂离子扩散系数,提高材料的充放电倍率性能,为LiFeSO4F正极材料在锂离子电池中的应用奠定基础。

结项摘要

LiFeSO4F是2010年发现的新型硫酸盐基锂离子电池正极材料,该材料的工作电压适中,比能量与LiFePO4相当,其独特的三维晶体结构更有利于锂离子的扩散,但其自身的电子绝缘性严重影响了材料的高倍率重放电性能,针对这一科学问题,本项目从材料的晶体结构和电子结构入手,采用GGA+U的方法计算了LiFeSO4F/FeSO4F体系的平均插入电压为3.54 V,从LiFeSO4F/FeSO4F的电子结构上看,随着Li离子的脱出,材料从莫特哈伯德绝缘体(LiFeSO4F)转变成了电荷转移型绝缘体(FeSO4F)。通过差示扫描量热法和热重测试发现具有优异的安全性能,初始放热温度为385 oC,放出的热量为79.4 J g-1;为了改善材料的电化学性能,通过氧化石墨烯和聚多巴胺对材料进行包覆改性,改性后材料的电导率提高到1.65×10-4 S cm-1,较原始材料提高了7个数量级,使得材料的电化学性能得到明显提升,100次循环后的的放电比容量为113.2 mAh g-1,容量保持率提高到99%,在5 C下的放电比容量达到48.9 mAh g-1;此外,还分别尝试了Ti离子和Mg离子的掺杂改性,穆斯堡尔谱测试发现Ti离子掺杂在材料的Fe(2)位置,通过计算发现材料的能隙由3.9 eV降低为2.1 eV,提高了材料的电子导电率,而Mg离子作为一种同价位的惰性原子掺杂,在锂离子脱嵌过程中稳定材料的晶体结构,因而获得了较好的倍率性能和循环性能,经过掺杂后材料100次循环后的容量保持率达到95%,在2 C倍率下的放电比容量为45 mAh g-1,通过循环伏安曲线的电化学阻抗图谱测试表明,改性后材料的动力学性能远优于原始的LiFeSO4F材料,因而获得了优异的电化学性能。.通过对LiFeSO4F材料一系列的研究,改善了材料的电化学性能,获得了电化学性能优异的LiFeSO4F改性材料。LiFeSO4F作为一种高安全性能的聚阴离子型正极材料,随着材料循环稳定性和倍率性能的提升,为材料的进一步应用奠定了很好的基础。

项目成果

期刊论文数量(38)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Ultrafast lithium storage in TiO2-bronze nanowires/N-doped graphene nanocomposites
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  • DOI:
    10.1039/c4ta06361a
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    Journal of Materials Chemistry A
  • 影响因子:
    11.9
  • 作者:
    Yan Xiao;Li Yanjuan;Li Malin;Jin Yongcheng;Du Fei;Chen Gang;Wei Yingjin
  • 通讯作者:
    Wei Yingjin
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  • DOI:
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  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    Chemsuschem
  • 影响因子:
    8.4
  • 作者:
    Zhu Kai;Qiu Hailong;Zhang Yongquan;Zhang Dong;Chen Gang;Wei Yingjin;Chen Gang;Zhu K
  • 通讯作者:
    Zhu K
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  • DOI:
    10.1016/j.carbon.2015.02.056
  • 发表时间:
    2015-06
  • 期刊:
    Carbon
  • 影响因子:
    10.9
  • 作者:
    Fei Du;Chunzhong Wang;Gang Chen;Dong Zhang
  • 通讯作者:
    Dong Zhang
Synthesis and optimizable electrochemical performance of reduced graphene oxide wrapped mesoporous TiO2 microspheres
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  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
    Nanoscale
  • 影响因子:
    6.7
  • 作者:
    Zhang, Yongquan;Su, Anyu;Chen, Gang;Wei, Yingjin
  • 通讯作者:
    Wei, Yingjin
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  • DOI:
    10.1016/j.jpowsour.2013.11.127
  • 发表时间:
    2015-01-01
  • 期刊:
    JOURNAL OF POWER SOURCES
  • 影响因子:
    9.2
  • 作者:
    Piao, Ying;Lin, Chi-kai;Chen, Zonghai
  • 通讯作者:
    Chen, Zonghai

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  • 通讯作者:
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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
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          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
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          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
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          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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