多壁碳纳米管/炭黑含量对锰钴锂硼酸盐玻璃(Mn, Co)-Li2O-B2O3性能增强的影响研究

为提升锂离子电池(LIBs)正极材料性能，研究人员通过共掺杂Mn/Co的锂硼酸盐玻璃(LBO)体系，系统比较了多壁碳纳米管(MWCNT)与炭黑(CB)在不同配比(8:1:1/7:2:1/6:3:1)下的电化学表现。研究发现30% MWCNT掺杂的(Mn, Co)-LBO/MWCNTs复合材料在第100次循环时容量达47.92 mAh/g，较同比例CB体系提升24.59%，为高稳定性LIBs正极开发提供新思路。

　　

随着全球能源结构转型加速，锂离子电池(LIBs)作为从便携式电子设备到电动汽车的核心储能装置，其性能优化成为研究热点。然而传统LIBs正极材料面临成本高、天然锂资源稀缺等挑战，促使科学家将目光投向低成本、易制备的玻璃陶瓷材料。其中锂硼酸盐玻璃(Li₂O-B₂O₃, LBO)因其独特的开放结构和有序-无序转变特性，被视为极具潜力的正极候选材料。但纯LBO存在导电性不足等问题，通过过渡金属共掺杂和碳材料复合成为突破性能瓶颈的关键策略。

在此背景下，受泰国国家科学技术研究基金(NSRF)资助的研究团队在《Radiation Physics and Chemistry》发表重要成果。研究人员创新性地将锰(Mn)和钴(Co)共掺杂到LBO基质中，构建(Mn, Co)-LBO体系，并系统比较了多壁碳纳米管(MWCNT)与炭黑(CB)两种导电添加剂对材料性能的增强效果。通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)等表征手段，结合100次恒电流充放电循环测试，揭示了碳材料类型与含量对复合材料电化学性能的调控规律。

研究采用熔融淬火法制备基础玻璃基质，通过高能球磨实现纳米级复合。关键实验技术包括：1) 采用1100℃熔融工艺制备(Mn, Co)-LBO玻璃；2) 按8:1:1、7:2:1、6:3:1比例分别复合MWCNT/CB(对应10%、20%、30%含量)；3) 通过EDS元素分析验证组分分布；4) 采用0.1C倍率进行电化学测试。

玻璃样品制备
通过铂金坩埚熔融Li₂CO₃和H₃BO₃前驱体，引入Mn/Co氧化物实现共掺杂，快速淬火获得非晶态玻璃。球磨后与MWCNT/CB按设计比例复合，确保导电网络均匀分布。

相态与形貌分析
XRD证实所有样品均保持非晶特征，淬火工艺有效抑制晶体生长。SEM显示MWCNT在基质中形成三维导电网络，其管状结构比CB颗粒具有更大的比表面积，为锂离子扩散提供更多通道。

电化学性能
在第100次循环时，30% MWCNT复合样品的放电容量达47.92 mAh/g，显著高于同比例CB体系的35.65 mAh/g。MWCNT的独特中空结构和电子传导能力，使容量保持率提升24.59%。XPS分析表明Mn²⁺/Mn³⁺和Co²⁺/Co³⁺氧化还原对协同作用，增强了伪电容贡献。

该研究证实MWCNT在玻璃基正极材料中具有显著优势：1) 管状结构形成连续导电通路；2) 高比表面积促进电解质渗透；3) 稳定框架缓解循环体积变化。相比传统CB材料，MWCNT复合的(Mn, Co)-LBO体系在保持玻璃基质低成本优势的同时，实现了能量密度与循环稳定性的同步提升，为新一代LIBs正极开发提供了重要参考。特别值得注意的是，30% MWCNT掺杂样品在6:3:1配比下展现最佳性能，这一发现为工业化生产中碳材料用量优化提供了明确指导。