【摘要】 本研究通过AI掺杂改性橄榄石LiNi₀.₅Co₀.₅PO₄正极材料，显著提升其电导率与电化学性能。Al掺杂后材料表现出优异循环稳定性，为高性能锂离子电池开发提供新方案。

锂离子电池因其高能量密度、高功率密度、低自放电率、高工作电压和长循环寿命等优势，已成为现代储能领域的关键技术。正极材料作为锂离子电池的核心组成部分，其性能直接决定了电池的整体表现。尽管锂钴氧化物（LiCoO₂）被广泛用作商用正极材料，但其存在成本高、具有毒性、结构稳定性差及实际容量偏低等问题。因此，开发低成本、高电位、环境友好的替代正极材料成为研究热点。

在众多候选材料中，橄榄石结构的磷酸盐基材料 LiMPO₄（M 为 Fe、Mn、Co、Ni）展现出巨大潜力。其中，LiNiPO₄因具有高功率密度、低毒性、良好的化学与热稳定性等优点备受关注。其稳定的三维结构源自于 P⁵⁺与氧的强共价键形成的 (PO₄)³⁻ 单元。然而，LiNiPO₄的低电子电导率和较差的锂离子扩散能力限制了其实际应用。

为解决上述问题，本研究通过Al掺杂对LiNi₀.₅Co₀.₅PO₄材料进行改性，系统探讨Al部分取代Co后对材料结构、电学及介电性能的影响。

图1 LiNi0.5Co0.5-xAlxPO4 正极材料在不同温度下交流电导率随频率的变化[1]。

 

研究方法与材料制备

采用固相反应法成功合成了一系列不同Al掺杂量（x = 0.0, 0.05, 0.1, 0.15）的LiNi₀.₅Co₀.₅₋ₓAlₓPO₄正极材料。通过多种表征手段系统分析材料性质：

  • X射线衍射（XRD）分析确认材料结晶性良好，属于Pmna空间群，具有典型橄榄石结构；

  • 扫描电子显微镜（SEM）显示材料呈现多孔形貌；

  • 傅里叶变换红外光谱（FT-IR）验证了橄榄石结构特征吸收峰的存在。

 

电学与电化学性能

通过复阻抗谱和恒电流充放电测试详细研究了材料的电学性能和电化学行为：

  • 所有样品的直流电导率、交流电导率和介电常数均表现出对频率、温度和成分的依赖性；

  • LiNi₀.₅Co₀.₄Al₀.₁PO₄正极表现出最优异的电导率，达7.06×10⁻⁹ S/cm；

  • 该材料在2.25-4.8V宽电位窗口下首次放电容量达46.1 mAh/g；

  • 经过10次循环后仍保持38.2 mAh/g的放电容量，容量保持率达82.9%，表现出优异的循环稳定性。

 

结论与展望

本研究证实Al掺杂可有效改善LiNi₀.₅Co₀.₅PO₄正极材料的电导率和电化学性能，其中LiNi₀.₅Co₀.₄Al₀.₁PO₄表现出最佳综合性能。这一工作为开发高性能、低成本的橄榄石结构正极材料提供了新的思路和实验依据。

 

参考文献：[1]Taddesse P, Berie A, Babu K V. Effect of Al dopant on the structure, electrical and dielectric properties of olivine LiNi0· 5Co0· 5PO4 cathode material[J]. Journal of Molecular Structure, 2020, 1219: 128593.

 

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