Synergistic Bulk and Interface Modulation of LiMn 0.6 Fe 0.4 PO 4 Cathodes through Mg 2+ Gradient Insertion for Enhanced Li + Diffusion

阴极 材料科学 扩散 电化学 化学工程 溶解 氧化还原 离子键合 涂层 失真(音乐) 容量损失 离子 工作(物理) 调制(音乐) 表面改性 电极 商业化 离子液体 纳米棒 纳米技术 电解质 表面扩散 介电谱 不稳定性
作者
Jiahui Xu,M. Y. Chen,Xueyin Wang,Liu Y,Zhian Wang,Zhenguo Wu,Benhe Zhong,Tingru Chen,Xiaodong Guo
出处
期刊:Industrial & Engineering Chemistry Research [American Chemical Society]
卷期号:65 (17): 8860-8871
标识
DOI:10.1021/acs.iecr.6c00729
摘要

Olivine-type LiMnxFe1–xPO4 (LMFP) is a promising high-voltage cathode for next-generation lithium-ion batteries; however, its commercialization is hindered by structural instability from Mn3+ Jahn–Teller distortion and sluggish ionic kinetics. Herein, we develop a novel gradient-insertion strategy to address these limitations simultaneously. Through a facile solid-state process, Mg2+ is incorporated into LMFP microspheres, creating a concentration profile. Structural characterization confirms the successful incorporation of Mg2+, predominantly occupying the transition-metal sites, without altering the primary structure or forming a coating layer. This targeted modification significantly improves electrochemical performance: the Mg-insertion cathode (LMFP-Mg) delivers a high capacity of 149.78 mAh g–1 at 0.1 C, with the Mn redox contribution increasing significantly from 40.3% to 53.2%. After 300 cycles at 1 C, LMFP-Mg retains 91.2% of its capacity, significantly outperforming pristine LMFP (80.5%). At a high rate of 5 C, LMFP-Mg demonstrates a 26.4% improvement in discharge capacity compared to LMFP. Mechanistic studies reveal that gradient Mg2+ insertion cooperatively stabilizes the bulk lattice, suppresses Mn3+ Jahn–Teller distortion, and enhances Li+ diffusion coefficient, while the Mg-rich surface mitigates transition-metal dissolution and interfacial side reactions. This work demonstrates that spatially controlled insertion is a promising strategy for designing high-energy-density, long-life olivine cathodes.
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