碱金属离子嵌入化合物作为优化的锂电池正极

摘要

在锂离子电池和电容器系统中可以通过将离子嵌入电极材料来增加锂离子或电解质中的阳离子的扩散从而提高比容量.这里,以二十种纳米材料:五种典型的正极材料和它们对应的碱金属离子嵌入化合物A-M-O(A=Li,Na,K,Rb;M=V,Mo,Co,Mn,Fe-P)为基础,通过实验表征以及第一原理计算,发现了晶体结构和所嵌入离子之间的协同效应.由于纳米结构可以更好的承受在充放电循环过程中所产生的晶体结构的扭曲,因此侧重纳米线作为研究对象.发现将碱金属离子预嵌入V-O或Mo-O结构时,与A-Co-O,A-Mn-O,或A-Fe-P-O相比,前者在锂离子充放电循环和倍率方面有着大幅度地提高.衍射和模拟研究表明,预嵌入K或Rb离子将会产生一个更稳定的层间膨胀,这既可以有效防止层间的破坏性坍塌,同时允许锂离子更自由地扩散.这项研究表明合适尺寸的碱金属离子嵌入可适应的结构可以有效提高正极材料循环稳定性以及倍率性能,此外在技术层面预嵌入的这种策略可以提供一种扩大离子扩散通道的有效方法,更广泛的,它表明稳定的层状化合物的优化设计可能导致在能量存储应用上实质性的提升.