ACS Appl. Mater. Interfaces：三维蜂窝状结构磷酸锰锂用于锂离子电池正极

引言：

锂离子电池广泛运用于新能源汽车，储能和移动设备。LiMnPO₄因其较高的能量密度（701Wh kg^-1）, 优良的循环稳定性，环境友好等优势而备受瞩目。与其它锂离子电池正极材料类似，其本征缺陷制约了电化学性能的提升。3D结构的材料具有较大的比表面积，相互交联的网状结构，可以为电子和离子的传输提供更多的通道，有利于提升材料的功率密度和能量密度。然而，3D结构很少应用在锂离子电池材料上，主要原因在于改善材料性能上扮演重要角色的3D结构框架不好实现。

成果简介：

近日，东北大学秦皇岛分校的罗绍华教授团队，以三维结构为设计思路，将蜂窝状的锂快离子导体LiAlO₂引入到锂电正极材料LiMnPO₄中，以LiAlO₂框架为模板首次制备出三维复合结构LiMnPO₄/C@LiAlO₂正极材料。该复合正极材料具有核壳结构，无需添加粘结剂便可直接用作电池正极。在10 C下循环100周，容量仍为105 mAh g^-1，容量保持率为98.4%，实现了大倍率充放电下优异的电化学性能。这种设计思路也可扩展至其它正极材料，为功能材料的三维结构设计提供了新的策略，对电池正极材料的研究和发展有着重要的实际意义。相关成果以“Three-dimension Honeycomb Structural LiAlO₂ Modified LiMnPO₄ Composite with Superior High-rate Capability as Li-ion Battery Cathodes.”为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces上。

图文导读：

图1正极材料LiAlO₂-LiMnPO₄/C的合成路线

(A) 阳极氧化法制备通孔AAO模板；（B）水热并结合煅烧制备LiAlO₂模板；（C，D）溶胶凝胶制备LiAlO₂-LiMnPO₄/C前驱体；（E）高温煅烧制备3D结构LiAlO₂-LiMnPO₄/C；（F）制备LiAlO₂-LiMnPO₄/C电极。

图2 AAO，LiAlO₂，LiAlO₂-LiMnPO₄/C的形貌结构

（a1, a2）AAO模板的形貌；（b1, b2）LiAlO₂模板的形貌；

（c1, c2）LiAlO₂-LiMnPO₄/C的形貌。

图3 LiAlO₂-LiMnPO₄/C的透射和选区电子衍射图

（a）LiAlO₂-LiMnPO₄/C纳米柱的透射图；（b，c）对应于（a）中相应区域的放大图以及电子衍射；（d）LiMnPO₄/C的高倍透射电镜图。

图4 LiAlO₂-LiMnPO₄/C和对比样的电化学性能

（a）0.05 C下LiAlO₂-LiMnPO₄/C和对比样的首周充放电曲线；

（b）0.1至10 C下LiAlO₂-LiMnPO₄/C和对比样的放电曲线；

（c）0.05至10 C下LiAlO₂-LiMnPO₄/C和对比样的倍率性能；

（d）10 C下LiAlO₂-LiMnPO₄/C和对比样的循环性能。

图5 不同扫速下LiAlO₂-LiMnPO₄/C和对比样的CV曲线

（a，b）0.1, 0.3, 0.5, 0.7, 0.9 mV s^-1下LiAlO₂-LiMnPO₄/C和对比样的CV曲线；（c）0.09 mV s^-1下LiAlO₂-LiMnPO₄/C和对比样的CV曲线；（d）LiAlO₂-LiMnPO₄/C和对比样的扫速平方根和峰值电流关系图。

图6 循环100周后的形貌图

（a）LiAlO₂-LiMnPO₄/C的SEM图；（b, c）LiAlO₂-LiMnPO₄/C的TEM图。

小结：

本文采用水热法并结合高温煅烧等手段，制备了锂快离子导体LiAlO₂与LiMnPO₄复合的正极材料LiAlO₂-LiMnPO₄/C。该正极材料具有三维核壳结构，均匀的碳包覆，较大的有利于锂离子快速传递的（010）晶面，在无需添加粘结剂的条件下表现出良好的倍率性能，循环稳定性和其它电化学特性。这项工作证明了通过设计出特殊结构的材料，可以减缓由于材料本征缺陷带来的电化学性能的不足，为其它类似材料性能的改善提供了新途径。

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