高性能复合阴极材料(锂)锰氧化物的制备及电化学性能研究

摘要

锰氧化物和锂锰氧化物作为锂电池阴极材料，因具有价格低廉、安全性好及对环境友好的特点而被广泛研究。MnO2结构复杂，存在多种晶型，如α、β、δ、λ等。目前商业化使用的主要为δ-MnO2，但在放电容量及倍率性能等方面依然有待于进一步提高。对于锂锰氧化物，同样存在多种结构，且不同的结构表现出显著差异的电化学性能，比如，正交型层状LiMnO2(o-LiMnO2)、尖晶石LiMn2O4及岩盐相Li2MnO3等，它们在充放电放电曲线形状，电位平台，电化学容量等方面均为不同。由此，本报告内容立足于研究和开发新型的(锂)锰氧化物材料及制备工艺。
　　 采用水热法首次合成了Li2MnO3和正交型层状LiMnO2的纳米复合材料。反应初始物(NH4)2S2O8与MnSO4的比例会影响产物中Li2MnO3和LiMnO2含量。研究了水热反应时间和温度对产物的影响。与传统高温固相法合成的材料相比，本研究用水热法合成的产物具有更高的电化学活性，比如，在以20 mAg-1的电流密度放电时，o-LiMnO2和Li2MnO3的容量分别为184和247 mAh g-1。在所采用合成条件下，获得的Li2MnO3具有较高的放电容量，而o-LiMnO2具有更好的循环性能。
　　 采用水热法首次合成了5 V尖晶石LiNi0.5Mn1.5O4纳米材料。详细研究了LiOH浓度、反应温度及反应时间对产物的影响。其中，LiOH浓度对产物影响很大，在低LiOH浓度(如0.1M)下，主要产物为α-MnO2和MnOOH，在高浓度LiOH(如1.0 M)主要产物为Li2MnO3，只有在适当的浓度，如0.3M时，才能获得以LiNi0.5Mn1.5O4为主的5 V尖晶石相。该材料在以28 mA g-1的电流密度放电时容量为100 mAh g-1，当电流密度增大至2800 mA g-1(即放电倍率约为28C)时，依然能放出容量约73 mAh g-1，同时，电压平台下降不严重，体现出优异的倍率性能。
　　 采用水热法合成了空心状纳米β-MnO2。该β-MnO2结晶度高。通常高结晶度的β-MnO2电化学活性很低，但本研究的空心状β-MnO2却体现出很高的电化学活性，如以10 mAg-1电流放电，容量可达251 mAh g-1，以200 mAg-1放电，依然放出约130 mAh g-1的容量。此外，该空心状纳米MnO2且具有良好的循环性能。
　　 采用O2氧化法在碱性条件下氧化Mn2+，制备Li-bimessite型层状MnO2。Li-bimessite结晶良好，层间距约为0.70 nm，呈球状或类球状。以Li-bimessite为正极材料的扣式电池在0.2 C(40 mA/g)条件下放电时容量高达203 mAhg-1，且具有良好的倍率性能。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 水热法制备LiMnO2-Li2MnO3化合物及其电化学性能

1.1 引言

1.2 实验方法及仪器设备

1.3 结果及讨论

1.3.1 LiMnO2-Li2MnO3材料的制备

1.3.2反应时间对LiMnO2-Li2MnO3形成的影响

1.3.3反应温度对LiMnO2-Li2MnO3形成的影响

1.3.4 LiMnO2-Li2MnO3的电化学性能表征

1.3.5 热处理对Li2MnO3材料的影响

1.4 小结

参考文献

第二章 5V尖晶石LiNi0.5Mn1.5O4的水热合成及电化学性能

2.1 引言

2.2 实验

2.3 结果与讨论

2.3.1 LiOH浓度及反应温度对水热产物的影响

2.3.2 水热反应时间对反应产物的影响

2.3.3 水热产物的组成

2.3.4 电化学性能测试

2.4 本章小结

参考文献

第三章 空心状纳米β-MnO2的制备及其电化学性能

3.1 前言

3.2 实验

3.3 结果与讨论

3.4 小结

参考文献

第四章Li-birnessite型层状二氧化锰的合成及其电化学性能

4.1 前言

4.2 实验

4.2.1材料制备

4.2.2性能测试

4.3 结果与讨论：

4.4 小结

参考文献

第五章结论

致谢

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