亚微米去顶角八面体LiNi0.08Mn1.92O4正极材料制备及高温电化学性能

采用低温固相燃烧法快速制备了一种具有{111}、{110}和{100}晶面的去顶角八面体LiNi_0.08Mn_1.92O₄ (LNMO)正极材料, 其高暴露{111}晶面可以减少充放电过程中Mn的溶解, 面积相对较小的{110}和{100}晶面可增加Li⁺快速扩散的通道. 测试结果表明, 所合成的LNMO具有LiMn₂O₄特有的立方晶系结构, 其颗粒尺寸为亚微米级. LNMO的高温电化学性能优异, 在55 ℃, 1和5 C的首次放电比容量分别为109.9和98.0 mAh/g, 分别循环300次后容量保持率为75.8%和80.5%; 即使在55 ℃, 10和15 C下分别循环1000次后仍具有48.4%和49.4%的容量保持率, 而未掺杂的LiMn₂O₄于15 C循环1000次后容量损失高达98%. LNMO在55 ℃有较高的Li⁺扩散系数(D=3.86×10^-15 cm²/s)和较小的电荷转移阻抗(循环前、后R_ct=158.0和279.8 Ω)以及较低的表观活化能(E_a=17.63 kJ/mol), 说明Ni掺杂能够提高Li⁺在尖晶石型LiMn₂O₄内的扩散速率及减小锂离子在脱嵌过程中的能垒, 从而提高锂离子的扩散速率和倍率性能. 对LNMO于55 ℃循环1000次后的极片进行X射线衍射(XRD)分析, 发现LNMO电极材料的晶体结构基本保持不变, 表明Ni掺杂提高了锰酸锂材料在55 ℃长循环过程中的晶体结构稳定性, 有效抑制了Jahn-Teller效应及Mn的溶解, 显著提升了其高温电化学性能. 本工作为尖晶石LiMn₂O₄电极材料在高温方面的应用提供了借鉴.