Synergistic Construction of Composite Conductive Networks and Particle Size Gradation toward High-Volumetric-Energy-Density LiMn x Fe1– x PO4 Cathodes

级配 材料科学 复合数 导电体 阴极 复合材料 纳米棒 粒子(生态学) 球形填料 粒径 碳纳米管 化学工程 阳极 纳米技术 纳米颗粒 球体 渗流阈值 比表面积 陶瓷 电极 储能 各向异性 多孔性 纳米尺度 热液循环 磷酸铁锂 表面能 渗透(认知心理学) 碳纤维 电阻率和电导率 千分尺
作者
Ke Bai,Chuanman Tan,Min Zhao,Lingyu Gao,Xinyi Liang,Hanbing He
出处
期刊:Industrial & Engineering Chemistry Research [American Chemical Society]
卷期号:65 (32): 17210-17223
标识
DOI:10.1021/acs.iecr.6c02577
摘要

Abstract The commercial deployment of LiMnxFe1–xPO4(LMFP) cathodes is hindered by the Mn3+ Jahn–Teller effect, low electronic conductivity, and low compacted density resulting from intensive gas evolution during conventional pyrolysis. Herein, a comprehensive modification strategy integrating precursor regulation, surface coating, and particle packing optimization is developed. Initially, micrometer-scale spherical LMFP with a smooth surface is obtained via spray drying. Subsequently, one-dimensional carbon nanotubes (CNTs) and two-dimensional poly(vinyl alcohol) (PVA) are introduced to construct a composite conductive network, significantly reducing interfacial charge-transfer resistance. Finally, utilizing a multiscale particle gradation strategy, highly active nanoscale LMFP synthesized via a hydrothermal approach is precisely embedded into the interstitial voids of the micrometer spheres to maximize macroscopic packing efficiency. The modified LMFP-CNT/PVA exhibits exceptional cycling stability, delivering an initial discharge specific capacity of 150.2 mAh·g–1 at 1C, alongside an outstanding capacity retention of 99.5% after 500 cycles. Under the optimal gradation ratio, the LMFP@C-55 system successfully elevates the powder compacted density to 2.31 g·cm–3. This composite network effectively buffers the anisotropic volume strain induced by Mn3+ distortion and preserves long-term lattice integrity, providing a viable technical pathway for the commercialization of next-generation power batteries with high-volumetric energy density.
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