Li3V2(PO4)3快离子导体掺杂改性LiMnPO4/C纳米复合材料的基础研究

LiMnPO4具有安全环保、成本低、理论容量高以及4.1V的稳定工作电压平台等优点，在锂离子动力电池的制造中表现出较大的潜力。但由于该材料导电性极差，电化学性能非常不理想，限制了其应用。本研究针对该问题，以多孔阳极氧化铝为模板结合溶胶-凝胶法制备Li3V2(PO4)3掺杂改性的LiMnPO4/C纳米复合材料。一方面利用Li3V2(PO4)3的快离子导电性，以及掺杂过程中形成的Mn2+/V3+部分相互掺杂LiMnPO4/Li3V2(PO4)3来提高材料的导电性；另一方面利用纳米碳优异的电子导电性结合纳米材料优异的性能来改善复合材料的综合性能。通过对Li3V2(PO4)3掺杂LiMnPO4/C纳米材料结构与性能的研究，阐明结构与性能之间的关系，得出Li3V2(PO4)3掺杂LiMnPO4/C的作用机理。为锂离子动力电池正极材料的开发以及广西丰富的锰资源有效利用提供新的发展思路。

LiMnPO4具有理论容量高、工作电压高、成本低、安全环保等优点，但低的电导率导致其电化学性能很差，限制了其实际应用。本研究利用快离子导体Li3V2(PO4)3掺杂改性LiMnPO4/C，研究结果表明：Li3V2(PO4)3具有快离子导电性，将其与LiMnPO4复合，大大提高了LiMnPO4的离子电导率；Li3V2(PO4)3掺杂LiMnPO4的过程中，有部分V掺杂到LiMnPO4晶体中，部分Mn掺杂到Li3V2(PO4)3晶体中，相互掺杂提高了复合材料的电子电导率；另一方面，纳米碳具有优异的导电性，碳包覆显著地提高了材料的电导率。上述作用共同提高了材料的电化学性能。掺杂前的LiMnPO4在0.05C倍率下的首次充、放电比容量仅为85.4mAh•g-1和66.4mAh•g-1，库仑效率仅为77.8%。掺杂Li3V2(PO4)3后的复合材料电化学性能得到显著改善，其中用溶胶-凝胶法合成的3LiMnPO4•Li3V2(PO4)3在0.2C倍率下的首次充放电容量分别为148.2 mAh•g-1和141.5 mAh•g-1，循环50次后容量为136.7mAh/g，电化学性能远远优于LiMnPO4。本研究可为锂离子电池正极材料的研发及广西丰富锰资源的有效利用提供新的思路。