钒掺杂增强尖晶石LiMn1.5Ni0.5O4在高电压锂离子电池有机与离子液体电解质中的稳定性研究

本文推荐了一种通过钒（V）掺杂提升尖晶石LiMn1.5Ni0.5O4（LMNO）正极材料稳定性的创新策略。研究结合实验与理论计算（DFT和分子动力学模拟），证实V掺杂可抑制Mn4+还原、促进无序相（Fd3?m）形成，并降低Li+扩散能垒，使材料在有机电解质（OE）和离子液体（IL）中均展现优异循环性能（容量保持率提升9.22%-48.54%），为无钴高电压电池开发提供新思路。

　　

Highlight

钒掺杂尖晶石LiMn_1.5Ni_0.5O₄（LMNO）在有机与离子液体电解质中均展现出卓越的稳定性提升。通过调控V含量（LiMn_1.5-xNi_0.5V_xO₄，x=0.01-0.05），材料不仅维持了Mn⁴⁺/Mn³⁺电荷平衡，还促进了两类立方尖晶石相（无序Fd3?m与有序P4₃32）的协同效应，其纳米棒形貌更实现了与经典八面体相当的高倍率性能。

RESULTS AND DISCUSSION

结构特性：密度泛函理论（DFT）揭示，增加V含量会优先稳定无序Fd3?m相，而V进入有序P4₃32晶格则能量不利。分子动力学（MD）模拟进一步显示，V掺杂可降低锂离子扩散势垒，提升本征迁移率。

电化学表现：最优组分LiMn_1.49Ni_0.5V_0.01O₄在有机电解质中容量保持率从75.11%提升至84.33%，在离子液体中更从30.79%飞跃至79.33%，印证了V掺杂对电解液分解的抑制作用。

CONCLUSION

该研究通过α-MnOOH纳米模板两步法合成V掺杂LMNO，结合多尺度表征与计算模拟，阐明其“结构-性能”关系，为开发安全、高效的高电压锂电正极提供了理论指导与材料设计范式。