ACS Appl. Mater. Interfaces：三維蜂窩狀結構磷酸錳鋰用于鋰離子電池正極

引言：

鋰離子電池廣泛運用于新能源汽車，儲能和移動設備。LiMnPO₄因其較高的能量密度（701Wh kg^-1）, 優良的循環穩定性，環境友好等優勢而備受矚目。與其它鋰離子電池正極材料類似，其本征缺陷制約了電化學性能的提升。3D結構的材料具有較大的比表面積，相互交聯的網狀結構，可以為電子和離子的傳輸提供更多的通道，有利于提升材料的功率密度和能量密度。然而，3D結構很少應用在鋰離子電池材料上，主要原因在于改善材料性能上扮演重要角色的3D結構框架不好實現。

成果簡介：

近日，東北大學秦皇島分校的羅紹華教授團隊，以三維結構為設計思路，將蜂窩狀的鋰快離子導體LiAlO₂引入到鋰電正極材料LiMnPO₄中，以LiAlO₂框架為模板首次制備出三維復合結構LiMnPO₄/C@LiAlO₂正極材料。該復合正極材料具有核殼結構，無需添加粘結劑便可直接用作電池正極。在10 C下循環100周，容量仍為105 mAh g^-1，容量保持率為98.4%，實現了大倍率充放電下優異的電化學性能。這種設計思路也可擴展至其它正極材料，為功能材料的三維結構設計提供了新的策略，對電池正極材料的研究和發展有著重要的實際意義。相關成果以“Three-dimension Honeycomb Structural LiAlO₂ Modified LiMnPO₄ Composite with Superior High-rate Capability as Li-ion Battery Cathodes.”為題發表在ACS Applied Materials & Interfaces上。

圖文導讀：

圖1正極材料LiAlO₂-LiMnPO₄/C的合成路線

(A) 陽極氧化法制備通孔AAO模板；（B）水熱并結合煅燒制備LiAlO₂模板；（C，D）溶膠凝膠制備LiAlO₂-LiMnPO₄/C前驅體；（E）高溫煅燒制備3D結構LiAlO₂-LiMnPO₄/C；（F）制備LiAlO₂-LiMnPO₄/C電極。

圖2 AAO，LiAlO₂，LiAlO₂-LiMnPO₄/C的形貌結構

（a1, a2）AAO模板的形貌；（b1, b2）LiAlO₂模板的形貌；

（c1, c2）LiAlO₂-LiMnPO₄/C的形貌。

圖3 LiAlO₂-LiMnPO₄/C的透射和選區電子衍射圖

（a）LiAlO₂-LiMnPO₄/C納米柱的透射圖；（b，c）對應于（a）中相應區域的放大圖以及電子衍射；（d）LiMnPO₄/C的高倍透射電鏡圖。

圖4 LiAlO₂-LiMnPO₄/C和對比樣的電化學性能

（a）0.05 C下LiAlO₂-LiMnPO₄/C和對比樣的首周充放電曲線；

（b）0.1至10 C下LiAlO₂-LiMnPO₄/C和對比樣的放電曲線；

（c）0.05至10 C下LiAlO₂-LiMnPO₄/C和對比樣的倍率性能；

（d）10 C下LiAlO₂-LiMnPO₄/C和對比樣的循環性能。

圖5 不同掃速下LiAlO₂-LiMnPO₄/C和對比樣的CV曲線

（a，b）0.1, 0.3, 0.5, 0.7, 0.9 mV s^-1下LiAlO₂-LiMnPO₄/C和對比樣的CV曲線；（c）0.09 mV s^-1下LiAlO₂-LiMnPO₄/C和對比樣的CV曲線；（d）LiAlO₂-LiMnPO₄/C和對比樣的掃速平方根和峰值電流關系圖。

圖6 循環100周后的形貌圖

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

小結：

本文采用水熱法并結合高溫煅燒等手段，制備了鋰快離子導體LiAlO₂與LiMnPO₄復合的正極材料LiAlO₂-LiMnPO₄/C。該正極材料具有三維核殼結構，均勻的碳包覆，較大的有利于鋰離子快速傳遞的（010）晶面，在無需添加粘結劑的條件下表現出良好的倍率性能，循環穩定性和其它電化學特性。這項工作證明了通過設計出特殊結構的材料，可以減緩由于材料本征缺陷帶來的電化學性能的不足，為其它類似材料性能的改善提供了新途徑。

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