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北大新材料学院在锂电池Sn双掺杂硅酸亚铁锂材料取得进展

发布时间：2015-11-23

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新型的聚阴离子硅酸盐正极材料 (Li₂MSiO₄,M=Fe、Mn、Co、Ni)，由于具有高能量密度，低成本，环境友好和安全等一系列有点而成为正极材料的研究热点之一。Li₂FeSiO₄正极材料理论上可以实现2个Li⁺脱嵌，比容量高达332 mAh g^-1，然而其低的电子导电率和锂离子扩散系数限制了其在商业化锂离子电池中的应用。
新材料学院2013级硕士研究生王凯，2014级硕士生滕高烽和博士后杨金龙在潘锋教授的指导下，首次采用两种不同价态的Sn(Sn(II) and Sn(IV))对Li₂FeSiO₄进行掺杂，并发现由于Sn(II)与Sn(IV)的位阻效应与电子结构不同，Sn(II,IV)会进行选择性掺杂，Sn(II)掺杂在Fe位，Sn(IV)掺杂在Si位。实验证实，Sn(II，IV)选择性双掺杂的Li₂FeSiO₄在0.2 C（1 C = 166mA g^-1）的电流密度下，容量高达311.5mAh g^-1，10 C下循环500次后仍能保持96 %的容量。通过进一步的DFT计算发现，Sn(II，IV)选择性双掺杂的Li₂FeSiO₄可以提高电子导电性，同时降低脱锂电压，这与实验结果相符合。该工作以全文方式，发表在工程一区Journal of Materials Chemistry A（影响因子IF=7.5）杂志（DOI: 10.1039/C5TA06713H）上。博士后郑家新对本篇工作也给予了很大支持与帮助。

Figure 1 Crystal structures (top panel) and spin polarized DOS (bottom pannel) for (a) Li₂FeSiO₄, (b) Li₂Fe_0.94Sn_0.06SiO₄and (c) Li₂FeSi_0.94Sn_0.06O₄. All tetrahedra point in the same direction along the c-axis and are linked only by corner-sharing. (Blue: SiO₄ tetrahedra, brown: FeO₄ tetrahedra, red: SnO₄ tetrahedra, green: LiO₄ tetrahedra.) The fermi level is set at zero.
目前，北京大学新材料学院的各课题组正在努力，相互合作，陆续将更加优秀科研工作形成原创专利，并投到高影响力的杂志上。同时，新材料学院将产业与学术相结合，力图为新能源领域做出自己的贡献。

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文章链接：http://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2015/TA/C5TA06713H
Wang, K.; Teng, G.; Yang, J.; Tan, R.; Duan, Y.; Zheng, J.; Pan, F., Sn (II, IV) steric and electronic structure effects enable self-selective doping on Fe/Si-sites of Li₂FeSiO₄ nano-crystals for high performance lithium ion batteries. J. Mater. Chem. A 2015.

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