微納結(jié)構(gòu)LiMn2O4的制備及其電化學性能的研究.pdf

1、提高電化學性能和降低電極材料的成本一直是鋰離子電池的主要研究方向。尖晶石型LiMn2O4具有原料豐富、成本低、安全性高、環(huán)保等優(yōu)勢，被認為是最具有應用潛力的鋰離子電池正極材料之一;但是LiMn2O4材料容量衰減快、比容量低等缺點一直制約其發(fā)展。因此，探尋新的合成及改性方法成為尖晶石錳酸鋰材料研究的關鍵。微納結(jié)構(gòu)材料同時具有納米尺寸的一次顆粒，和微米尺寸的二級結(jié)構(gòu)，既保留了納米材料的優(yōu)勢，又具有較高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，應用于鋰離子電池正極材料具

2、有明顯的優(yōu)勢。本論文制備了兩種具有微納結(jié)構(gòu)的尖晶石型LiMn2O4，并研究其電化學性能。得到如下結(jié)論:
　　以MnSO4、(NH4)2S2O8為原料，AgNO3為輔助劑，水熱合成微納結(jié)構(gòu)MnO2。通過調(diào)節(jié)AgNO3的添加量和反應時間來控制產(chǎn)物的晶型、形貌和粒徑，結(jié)合XRD、SEM、TEM等分析手段對前驅(qū)體進行了表征。研究結(jié)果表明Ag+的添加量為0.01mmol，水熱反應時間為10小時得到了具有海膽形貌中空結(jié)構(gòu)的MnO2微球，其物相

3、純度高、尺寸均勻、結(jié)晶性好;將上述合成的MnO2作為前驅(qū)體，以LiOH·H2O為鋰源，通過控制焙燒溫度，獲得了雙殼中空的尖晶石LiMn2O4微球。該LiMn2O4材料結(jié)晶度高、一次顆粒為納米尺度，用作鋰離子正極材料表現(xiàn)出了優(yōu)越的倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性:0.2C放電容量可達125 mAhg-1，100次循環(huán)以后還能達到119 mAhg-1，容量保持率為95％;遠高于同樣條件下商品MnO2燒結(jié)得到的LiMn2O4的電化學性能;
　　以M

4、nSO4、NaClO3為原料，水熱合成γ-MnOOH。實驗結(jié)果表明，PVP能夠顯著影響材料的晶體成核和生長，因而對控制產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)和形貌具有重要的作用。通過控制水熱反應時間，添加適量的PVP(15mmol)，首次成功地合成了具有多縫隙管壁的γ-MnOOH納米管。以合成的γ-MnOOH材料作為模板，燒結(jié)得到了管狀的LiMn2O4，其管壁由納米顆粒疏松粘接而成。其電化學性能優(yōu)于相同條件下合成的納米棒狀結(jié)構(gòu)的LiMn2O4材料。其0.1C和2C

5、下的放電容量分別為128.8 mAhg-1和106.9 mAhg-1，顯示了較高的放電容量和較好的倍率性能;
　　中空微納結(jié)構(gòu)的LiMn2O4材料具有獨特的電化學性能優(yōu)勢:其納米尺寸的一次顆粒效地縮短了鋰離子的擴散路徑;納米結(jié)構(gòu)較大的比表面積，增加了正極材料/電解液多相反應的場所，從而獲得更高的放電比容量和較好的倍率性能;一次納米顆粒之間的空隙可以有效地緩沖鋰離子脫/嵌過程中的體積效應，提高了材料的循環(huán)穩(wěn)定性。因此，這類具有特殊微