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Synergistic modification of spinel LiMn2O4 with MgO doping and coating for mitigating the Jahn-Teller effect and enhancing lithium extraction from brine

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作者
Wenjie Fan,Luxiang Ma,Wencheng Pan,Xin Zeng,Zhixiang Li,Hongli Su,Peng Fei Zhang,Yan Zhao
出处
期刊:Desalination [Elsevier BV]
卷期号:615: 119260-119260 被引量:2
标识
DOI:10.1016/j.desal.2025.119260
摘要

LiMn 2 O 4 (LMO) has emerged as a promising electrode material for the electrochemical extraction of lithium from salt lakes due to its excellent lithium-ion selectivity and structural stability. However, the cyclic use of LMO in Salt Lake brines is often hindered by manganese dissolution and crystal structure collapse, primarily caused by the Jahn-Teller effect. These issues significantly reduce the cycling stability and lithium extraction efficiency of LMO, limiting its practical application. To address this challenge, we developed a molten salt-assisted gradient doping-coating synergistic modification technique aimed at effectively suppressing the Jahn-Teller effect. This approach facilitates the formation of chemically bonded MgO nanolayers on the LMO surface and incorporates Mg 2+ into the bulk structure, thereby significantly enhancing the material's structural stability. Through a combination of density functional theory (DFT) calculations and experimental validation, the modified composite electrode exhibited superior kinetic performance, high capacity, and remarkable cycling stability. In simulated brine, it maintained a lithium adsorption capacity of 26.21 mg·g −1 after 20 consecutive extraction cycles. Furthermore, in the West Taijinar old brine with a high Mg 2+ /Li + ratio of 65.6, the modified electrode demonstrated a capacity retention rate of 81.8 %, approximately 34 % higher than pristine LMO, and reduced the Mg 2+ /Li + ratio from 65.6 to 0.24. Furthermore, the modified electrode exhibited a manganese dissolution rate of only 0.34 %. These findings indicate that the proposed modification strategy significantly improves the cycling stability and lithium extraction performance of LMO, offering a viable pathway for its large-scale application in Salt Lake environments. • Gradient doping and MgO coating mitigate Jahn-Teller distortion and Mn dissolution in LiMn 2 O 4 during cycling. • Retained 81.8 % capacity after 20 cycles in the West Taijinar old brine. • LiMn 2 O 4 @MgO exhibited only 0.34 % Mn dissolution after 20 cycles. • Effectively reducing the Mg 2+ /Li + ratio in low-grade brine.
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