鋁摻雜錳酸鋰正極材料制備及第一性原理研究

王鎮江，蓋琪欣，王云婷，吳 希，梁興華，2

(1.廣西科技大學廣西汽車零部件與整車技術重點實驗室，柳州 545006；2.廣東省新材料研究所，廣州 510006)

1 引 言

鋰離子電池(LIBS)已經廣泛應用在電動汽車(EV)、混合動力電動汽車(HEV)和智能便攜設備中[1，2]，但人們對鋰離子電池在比容量、循環壽命、安全性等方面的要求愈來愈高，尖晶石LiMn2O4(LMO)是鋰離子電池重要的正極材料，日益受到國內外學者的關注[3-5].但由于其仍然存在諸多缺點，如：尖晶石LiMn2O4在充放電過程中Mn3+的Jahn-Teller效應導致結晶結構的損壞，由此引起充放電比容量的快速衰減.因此需要進一步改善材料的循環穩定性以滿足市場需求，目前主流有效的改良途徑是摻雜，摻雜的途徑是使用其他鍵合力強的金屬離子代替部分的Mn3+，實驗研究表明[6，7]，一定量Mg、Co、Ni摻雜改性后可以延緩充放電過程中的晶格畸變，提高了尖晶石結構的穩定性，改善了充放電循環壽命.

近年來，第一性原理在量子力學研究在鋰離子電池領域占有越來越重要的地位[8-14]，通過第一性原理計算可以解釋材料的內部結構、材料摻雜前后屬性變化等信息.安永良等利用第一性原理研究了摻雜Co和Ni對LiMn2O4的影響，計算表明：摻雜Co增強了Mn-O鍵的平均強度，提高了LiMn2O4結構的穩定性[15]；申海燕等利用第一性原理計算了尖晶石型鋰錳氧化物的結構特征，結果表明缺陷型LiMn2O4中理論容量隨著含Li量的增加而減小[16]；王延慶等利用第一性原理計算了Ni-3d軌道對LiMn2O4的誘導作用，結果表明：Mn位摻雜Ni后Mn-O的鍵強增……