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高能量锂电正极材料:铁掺杂高电位尖晶石锰镍酸锂

锂离子电池的安全性能是评价其实用性的重要指标之一。在电池的各个组成部分中,正极材料的高温放氧特性又与整个电池的安全性能密切相关。氧化物正极材料普遍具有较高的能量,但通常会在受热后放出氧气,这部分氧气与可燃性的电解液发生放热反应,加速热失控的发生,从而有可能进一步导致安全事故。传统的提高氧化物正极材料热稳定性的方法包括对表面进行包覆和杂,但这两种方法都有可能以牺牲材料的能量密度为代价。


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为了解决这一问题,美国布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory)的杨晓青教授课题组在前期系统研究的基础上,将铁元素掺杂到高电位尖晶石锰镍酸锂LiNi0.5Mn1.5O4中这样既保持了原有材料的高能量密度,同时显著提高了该材料的热稳定性。在对元素的化学计量比优化之后,所合成的LiNi0.33Mn1.33Fe0.33O4具有和LiNi0.5Mn1.5O4相当的电化学性能及高能量密度,但把充电态材料的放氧温度从250˚C提高到500˚C以上。该材料设计思路是基于对元素的电子结构、材料的晶体结构及其对热稳定性影响的深度理解,同时兼顾到廉价、环保以及合成方便等要求,从而筛选合适的掺杂元素。该思路对其他系统电池材料的设计具有启发性的借鉴意义。相关的研究结果发表在近期的Advanced Energy MaterialsDOI: 10.1002/aenm.201501662)上。




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