钾离子掺杂提高锂离子电池正极锰酸锂性能的微观机制

改善尖晶石锰酸锂的大倍率性能是目前锂离子电池的重点研究方向之一。本研究用高温固相法合成掺K⁺的尖晶石锰酸锂, 研究K⁺提高锰酸锂倍率性能的微观机制。结果表明, 尽管随着电流密度增大, 电极的放电比容量下降, 但掺K⁺提高材料的大倍率性能效果显著, 如最佳掺K⁺量(物质的量分数)1.0%时, 在10C (1C=150 mA·g^-1)下比容量提高了一倍, 远高于0.5C下的1.9%。原因在于掺K⁺后, 首先, 锰酸锂的晶胞体积扩大, Li-O键变长, Li、Mn阳离子混排程度降低, 载流子(Mn³⁺)量增多; 其次, 电极极化和电荷迁移阻抗降低, 提高了材料的充放电可逆性、导电性及锂离子扩散能力; 再者, [Mn₂]O₄骨架更稳定, 减小了电化学过程中内应力变化, 抑制了晶体结构变化和颗粒破碎; 最后, 钾离子掺杂使制备过程中材料团聚, 从而减小电解液与电极的接触面积, 减轻电解液的侵蚀, 抑制锰的溶解。     

Mn3O4微观结构对固相合成类单晶锰酸锂的影响

探究了Mn₃O₄的微观结构对高温固相法制备类单晶锰酸锂(LiMn₂O₄)的影响。结果表明,前驱体对LiMn₂O₄的结构和形貌有决定性的影响。粒度小、比表面积大的类球形Mn₃O₄更易制得类单晶锰酸锂,其颗粒团聚致密、表面光滑,且晶胞参数小、能量密度大、Li⁺浓度高。类单晶锰酸锂的综合电化学性能和热稳定性远高于非类单晶材料,在0.2 C倍率下首次放电比容量和库仑效率分别高达112.50 mA·h/g、96.5%,8 C倍率下放电比容量仍有102.11 mA·h/g,200次循环后容量保持率为90.1%。类单晶锰酸锂优异的性能归因于其具有稳定的晶体结构和外露表面、较高的Li⁺浓度,在电化学反应中结构稳定、锂离子迁移速率快、电极极化和电荷转移阻抗小。