科创中国

电动汽车和新能源利用对于解决城市环境恶化和全球化石能源短缺问题意义重大，锂离子电池电化学储能体系是两大应用领域的关键。富锂锰基层状氧化物正极材料具有比容量高，成本较低，是下一代实现高比能和低成本锂离子电池的理想正极材料。本项目基于尉海军教授科研团队十余年技术攻关，在富锂锰基正极材料的基础研究及工程化技术方面取得的突破性进展，申请发明专利4项，在实验室已实现公斤级正极材料的连续化制备，相关技术储备为富锂锰基正极材料的产业化奠定了坚实基础。本项目研究成果（先进电池材料微区结构调控与性能优化项目）获得2021年北京市自然科学二等奖，北京工业大学为唯一完成单位。

该项目申请发明专利4项，在实验室已实现公斤级正极材料的连续化制备，相关技术储备为富锂锰基正极材料的产业化奠定了坚实基础。本项目研究成果（先进电池材料微区结构调控与性能优化项目）获得2021年北京市自然科学二等奖，北京工业大学为唯一完成单位。目前该项目4项专利评估价值350万元，采用先赋权后以作价入股方式进行转化。同时，富锂锰基正极材料在高能能密度需求方面亦有应用探索。项目产业化首先完成百吨级中试产线建设及材料中试生产，开展电池厂材料供货评测及应用。同时进行规模化量产产线建设规划，实现产品的规模化量产及市场销售。作为高能量密度的正极材料 ，可以在电动及储能市场进行应用。参考三元材料NCM411市场价格42万/吨，产品销售利润＞10%，具有良好的社会效益和经济效益。

能源危机和环境保护已成为当前人类社会可持续发展战略迫在眉睫需解决的问题。日本、德国、美国等发达国家纷纷大力投入与发展太阳能、风能、以及新能源车等可以缓解能源危机和降低环境污染的项目。我国也从国家到地方提出了多项支持新能源和新能源车的规划。锂离子电池作为一种化学电源，具有比能量高、工作温度范围宽、工作电压平稳、贮存寿命长的优点，在太阳能与风能用储能电站和新能源车用动力电池方面具有很强的优势，是目前研究最热的化学电源之一。

锂离子电池主要由正极与负极构成，目前，商业化的锂离子电池用负极材料主要是石墨，锂离子电池正极材料不但是锂离子电池锂的主要来源，而且也是锂离子电池成本的主要构成部分，因此，正极材料性能的好坏与成本的高低直接影响着锂离子电池的综合性能与成本。当前，锂离子电池商业化应用最广的正极材料是LiCoO2，实际放电容量为140mAh/g左右，由于该材料含有钴元素，因此该材料不但成本较高，易受市场波动影响，而且有毒，热稳定性较差。近十年来，为了寻找可以取代LiCoO2的正极材料，各国科学家进行了大量的研究，主要的取代材料有尖晶石型LiMn2O4，橄榄石型LiFePO4，二元固溶层状型LiNi0.5Mn0.5O2，三元固溶层状型LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2以及层状LiNiCo0.15Al0.05O2。其中,尖晶石结构的LiMn2O4同LiCoO2相比，具有安全、成本低、无环保问题和电压高等优点，但同时该材料也存在比容量较低(约为120mAh/g)，高温容量衰减较快，Mn在电解液中易溶解等问题。橄榄石型LiFePO4是近些年发展较快的一种新型锂离子电池正极材料，不但具有160mAh/g的放电容量，而且热稳定性能好，具有较低的材料成本，但目前该材料还存在电导率较低、低温性能差，规模生产批次稳定性控制难以及制造成本高等问题，因此橄榄石型LiFePO4材料还需深入研究。至于多元层状LiNi0.5Mn0.5O2，LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2及LiNiCo0.15Al0.05O2虽然具有较高的放电容量，但材料成本仍然是制约它们推广应用的主要问题。因此，本项目研发容量高、成本低的锂离子电池正极材料，是当前锂离子电池行业的关键应用技术。

本项目依托北京工业大学材料与制造学部先进电池材料与器件研究所尉海军教授团队，项目负责人尉海军教授十余年技术攻关和积累，2007年获东北大学博士学位，先后在北京有色金属研究总院（2007-2010）和日本国立产业技术综合研究所（2010-2015）从事电池相关科研工作，2015年起在北京工业大学工作。主持和作为骨干正在承担和完成了多项国家级项目，涉及先进电池材料、电池系统以及电动车应用等领域，组织并协调完成了北京奥运会和北京市为期一年的2辆燃料电池新能源客车运营项目，获中国材料研究学会科学技术二等奖1项，在Angew. Chem. Int. Ed.、Energy & Environ. Sci.、***.等国际知名能源化学期刊上发表学术论文62篇，SCI他引1500余次，申请专利21项，已授权4项。国家“优秀青年科学基金”，获北京青年五四奖章。兼任国际电化学能源科学院(IAOEES)理事、中国金属学会功能材料分会委员和《Rare Metals》期刊编委等职。项目团队现有教授1人、副教授3人、讲师和博士后6人。

富锂层状氧化物材料具有非常高的容量，但该材料在循环过程中存在明显的充电电压平台下降等问题，意味着材料在脱嵌锂离子的过程中晶体结构存在非常大的稳定性隐患，严重制约该材料在实际电池上得到应用，是一个世界性的难题。电压平台下降与该材料在充放电过程中发生晶体结构转变有很大的关系，有一些研究报道通过表面修饰来控制材料的结构稳定性，但仅仅能解决材料晶粒表面的结构稳定性问题，不能解决材料晶粒内部的结构稳定性难题，因此需从稳定晶粒内部晶体结构的角度来提升材料的循环稳定性。我们合成了一种具有“双晶畴”晶体结构的富锂层状氧化物材料，虽然该材料具有较高的电化学充放电容量和良好的循环性能，但在循环次数增加的时候还是会出现放电曲线电压平台下降的现象，因此在原来研究的基础上，本项目开发了一种稳定富锂层状氧化物材料晶畴结构方法与制备技术，防止材料在循环过程中发生晶畴结构发生大的转变，近一步提升“双晶畴”富锂层状氧化物的循环稳定性。解决世界性难题。

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