LiMnO的尿素辅助溶胶凝胶法合成、改性及电化学性能研究

摘要

尖晶石LiMn<,2>O<,4>由于具有对环境友好、成本低、电化学性能较好等优势，因此被认为是现有锂离子电池正极材料LiCoO<,2>的替代者之一。虽然尖晶石LiMn<,2>O<,4>还存在容量较低、充放电循环性较差、高温容量衰减严重等缺点，但通过采用新的合成方法、掺杂改性和表面包覆等手段可以改善其电化学性能。目前，LiMn<,2>O<,4>材料研究的重点在于提高LiMn<,2>O<,4>的可逆比容量，增加循环寿命和提高高温下材料的充放电性能。所以，合成结构稳定且性能优异的LiMn<,2>O<,4>是至关重要的工作。本论文工作共分六章： 第一章综述了锂离子正极材料研究现状、尖晶石LiMn<,2>O<,4>正极材料的制备方法、研究进展以及超级电容器的简介。同时提出了本论文的选题意义和本研究需解决的科学问题。 第二章采用尿素辅助溶胶凝胶法在较短的时间内与较低的温度下合成电化学性能优异的单相尖晶石LiMn<,2>O<,4>材料。与文献报道的方法相比，尿素辅助溶胶凝胶法使反应物在分子水平上充分接触，由于尿素的多功能作用一一络合剂、燃烧剂和核生长控制剂，所得尖晶石LiMn<,2>O<,4>具有规整球形，平均粒径为60nm，分散均匀，且没有团聚。同时对尿素辅助溶胶凝胶法的制备机理进行了研究。 第三章为改善尖晶石LiMn<,2>O的电化学性能，选用了Li、Cr、Co、Ni、Mg、zn、Al、Fe等元素进行阳离子和F元素进行阴离子单掺杂或混合掺杂以抑制尖晶石LiMn<,2>O<,4>的Jahn-Teller畸变，稳定尖晶石LiMn<,2>O<,4>的结构，提高材料的循环稳定性。研究表明在掺杂量为O.1时，单掺杂中Cr、Ni和Co掺杂比其余元素掺杂能更好地改善材料的电化学性能。同时本实验对尖晶石LiMn<,2>O<,4>进行了共掺杂，结果表明共掺杂效果要好于单掺，在本实验中共掺杂样品Li<,1.06>Ni<,0.06>Cr<,0.1>Mn<,1.84>O<,4>、Li<,1.06>Ni<,0.1>Mn<,1.9>O<,395>F<,0.05>和Li<,1.06>Cr<,0.1>O<,395>F<,0.05>均具有较好的电化学稳定性，且容量衰减都小于未掺杂样品。 第四章为了提高尖晶石LiMn<,2>O<,4>材料的电子电导率和抑制LiMn<,2>O<,4>材料中锰在电解液中的溶解，本论文选用了高电子电导率的导电聚合物一一聚苯胺对尖晶石LiMn<,2>O<,4>正极材料进行表面包覆以改善其电化学性能。本研究采用原位聚合在LiMn<,2>O<,4>表面进行包覆，制备了新型的复合材料。包覆后材料展现了优异的比容量和循环稳定性，循环100次后放电比容量仍有99.4 mAh·g<'-1>。这部分工作目前尚未见报道。 第五章在本研究采用尿素辅助溶胶凝胶法合成纳米级LiMn<,2>O<,4>材料的基础上，将该材料作为超级电容器电极材料进行了初步研究。分别采用1mol·L<'-1>的LiMn<,2>O<,4>，和1mol·L<'-1>LiMn<,2>O<,4>作为电解液，组装成模拟非对称超级电容器，进行电化学性能测试。在1mol·L<'-1>的LiMn<,2>O<,4>电解液中放电比电容为121 F·g<'-1>。对其进行循环伏安测试得到具有类似矩形形状的CV曲线。由此可见，纳米LiMn<,2>O<,4>材料具有赝电容特征。该研究工作结果有一定新意。 第六章是对本论文的总结与展望，为以后的研究工作的继续发展提出了作者的几点看法。

目录

文摘

英文文摘

第一章引言

第二章尿素辅助溶胶凝胶法合成LiMn2O4

第三章掺杂抑制尖晶石LiMn2O4容量衰减

第四章聚苯胺/LiMn2O4新型复合材料的研究

第五章LiMn2O4作为超级电容器电极材料研究

第六章结论与展望

参考文献

致谢

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