超分子结构层状锂锰氧化物的组装及其电化学性能研究

摘要

本论文针对锂离子电池正极材料层状锂锰氧化物结构不稳定的缺点，根据超分子层状结构材料的主客体可调控性特征，分别采用离子交换法、水滑石前体法、水热法等对其进行主体层板调控和客体调控，制备了一系列锂锰氧化物插层组装材料。采用XRD、HT-XRD、ICP、XPS、TG-DTA、TG-MS、EXAFS、TEM和SEM等手段对其进行了详细表征；通过恒流充放电循环、循环伏安等方法对其电化学性能进行了研究，并探讨了影响其结构稳定性和电化学性能的因素。　　采用水热法进行层状KxMnO2的嵌锂反应，合成了四种结构的锂锰氧化物，分别为单斜晶系(岩盐结构，Li2MnO3)，四方晶系(α-MnO2)，立方晶系(尖晶石，LiMn2O4)和六方晶系(δ-LixMnO2)。其中六方晶系LixMnO2在充放电过程中保持层状超分子结构，作为电极材料具有较稳定的循环性能，可逆容量达到162.8mAh·g-1。　　本论文研究发现电化学性能与材料结构及组成密切相关，调控主客体组成，可有效地提高材料结构稳定性。通过主体层板调控和层间客体调控得到的超分子有序体，主体骨架结构的稳定性得到提高，层间有足够的Li+嵌入位和扩散通道，使其能够快速可逆地嵌入/脱嵌，从而提高了材料的电化学性能。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：博士研究生学位论文答辩委员会决议书

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第一章前言

1.1锂离子电池的发展

1.1.1锂电池的发展过程

1.1.2锂离子电池的特点

1.1.3锂离子电池负极材料

1.1.4锂离子电池电解质

1.2锂离子电池正极材料

1.2.1 LiCoO2

1.2.2 LiNiO2

1.2.3 LiMnO2

1.2.4 LiFePO4

1.3锂锰氧化物的结构和电化学性能

1.3.1尖晶石型LixMn2O4

1.3.2正交结构LiMnO2

1.3.3层状结构LiMnO2

1.3.4大隧道结构含锂MnO2(CDMO)和无定型体Li-Mn-O

1.4论文选题的目的和意义

参考文献

第二章 主客体结构锂锰氧化物的制备及其电化学性能研究

2.1前言

2.2实验部分

2.2.1试剂

2.2.2仪器

2.2.3 LiMnO2的制备

2.2.4结构表征

2.2.5电化学性能表征

2.3 LiMnO2的结构表征

2 3.1 Mn2O3的结构

2.3.2前驱体NaMnO2和离子交换产物LiMnO2的结构表征

2.4 LiMnO2的电化学性能研究

2.5小结

参考文献

第三章主体层板调控Ⅰ：O2结构Li[Mn1-xMx]O2的制备及其电化学性能表征

3.1前言

3.2实验部分

3.2.1试剂

3.2.2仪器

3.2.3层状O2结构Liy[Mn1-xMx]O2(M=L1、Cr、Mg、Fe、Al)的制备

3.2.4结构表征

3.2.5电化学性能表征

3.3层状O2结构Lix[Li0.10Mn0.90]O2的结构和电化学性能研究

3.3.1前驱体Nax[Li0.10Mn0.90]O2中Li+的存在位置

3.3.2不同Na/Mn摩尔比对离子交换反应的影响

3.3.3 Na0.06Li0.65[Li0.10Mn0.88]O2的晶体形貌

3.3.4 Li0.65[Li0.10Mn0.88]O2的电化学性能

3.4 Liy[Mn1-xCrx]O2的结构和电化学性能研究

3.4.1 Na2/3[Mn1-xCrx]O2及交换产物的晶体结构

3.4.2 Liy[Mn1-xCrx]O2的化学组成和表面分析

3.4.3 Liy[Mn1-xCrx]O2的电化学性能

3 5 Liy[Mn1-xMgx]O2的结构和电化学性能研究

3.5.1前驱体及交换产物的结构表征

3.5.2 Liy[Mn0.90Mg0.10]O2的化学组成和表面分析

3.5.3 Liy[Mn1-xMgx]O2的电化学性能

3.6 Liy[Mn1-xAlx]O2的结构和电化学性能研究

3.6 1 Liy[Mn1-xAlx]O2的结构表征

3.6.2 Liy[Mn1-xAlx]O2的电化学性能

3.7 Liy[Mn1-xFex]O2的结构和电化学性能研究

3.7.1 Liy[Mn1-xFex]O2的结构表征

3 7.2 Liy[Mn1-xFex]O2的电化学性能

3.8小结

参考文献

第四章 主体层板调控Ⅱ：水滑石前体法制备Li[CoxNiyMn1-x-y]O2及其电化学性能研究

4.1前言

4.2实验部分

4.2.1试剂

4.2.2仪器

3.2.3 Li[CoxNiyMn1-x-y]O2的制备

4.2.4 Li[CoxNiyMn1-x-y]O2的结构表征

4.2.5Li[CoxNiyMn1-x-y]O2的电化学性能表征

4.3 LDHs的结构表征

4.4 Li[CoxMn1-x]O2的结构和电化学性能研究

4.4.1Li[CoxMn1-x]O2的反应过程研究

4.4.2 Li[CoxMn1-x]O2的结构特征

4.4.3 Li[CoxMn1-x]O2的电化学性能

4.5 Li[NiyMn1-y]O2的结构和电化学性能研究

4.5.1 Li[NiyMn1-y]O2的结构特征

4.5.2 Li[NiyMn1-y]O2的电化学性能

4.6 Li[CoxNiyMn1-x-y]O2的结构和电化学性能研究

4.6.1 Li[CoxNiyMn1-x-y]O2的结构特征

4.6.2Li[CoxNiyMn1-x-y]O2的电化学性能研究

4.7小结

参考文献

第五章 客体调控Ⅰ：层状MnO2插层组装及其电化学性能研究

5.1前言

5.2实验部分

5.2.1试剂

5.2.2仪器

5.2.3样品制备

5.2.4结构表征

5.2.5电化学性能表征

5.3柱撑MnO2的结构表征

5.4柱撑MnO2的电化学性能研究

5.5结论

参考文献

第六章 客体调控Ⅱ：层状锰钒氧化物的制备及其电化学性能研究

6.1前言

6.2实验部分

6.2.1试剂

6.2.2仪器

6.2.3样品的制备

6.2.4结构表征

6.2.5电极制备及电化学性能表征

6.3锰钒氧化物的结构

6.4锰钒氧化物的电化学性能研究

6.5结论

参考文献

第七章 其他结构锂锰氧化物的可控合成及其电化学性能研究

7.1前言

7.2实验部分

7.2.1试剂

7.2.2仪器

7.2.3样品的制备

7.2.4结构表征

7.2.5电化学性能表征

7.3 LiyMnO2的制备及结构表征

7.4电化学性能研究

7.5结论

参考文献

第八章 层状锂锰氧化物主客体相互作用-电化学性能关系研究

8.1前言

8.2锂离子电池充放电机理

8.3层状锂锰氧化物组成及结构-主客体相互作用-电化学性能关系研究

8.3.1层板元素组成对主客体相互作用及电化学性能的影响

8.3.2层间客体调控对其结构及电化学性能的影响

8.4小结

第九章结论

本论文的创新点

攻读博士学位期间发表论文及申请专利情况

作者简介

致谢