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水相锂离子电池具有安全性高、成本低廉、对环境友好的优势,受到了人们极大的关注。作为典型的正极材料,锰酸锂(LiMn2O4,简写成LMO)由于其自身优势备受人们的青睐。但是,该材料在水相电解质长期充放电循环过程中,会使锰元素流失和电极材料本身发生Jahn-Teller形变,从而使得样品的循环稳定性和倍率性能满足不了人们的需求。为了解决这些问题,人们通常采用包覆和掺杂的方法来改善锰酸锂的性能。通过包覆可以减少LMO与电解液的接触面积,防止副反应的发生。但是常见的包覆并不能有效地提高材料的循环稳定性,并且包覆层的引入会造成材料的导电性变差,影响材料的倍率性能。本论文利用氧化石墨烯(GO)、二氧化钛(TiO2)作为锰酸锂均匀分散的基质,同时原位引入碳纳米管(CNT)或聚吡咯(PPy)包覆,从而不仅在锰酸锂和水相电解液间设置了屏障,减少其在水相电解液中的暴露,有效地缓解锰元素的流失问题,而且借助CNT的均匀分布,或PPy的均匀包覆,有效改善LMO电极材料的导电性,进而提高其在水相锂离子电池中的循环稳定性和倍率性能。(1)采用GO气凝胶作为载体,同时原位引入CNT将LMO均匀的包封在两者所形成的三维互联网络中,制备了LMO、GO和CNT复合气凝胶(简写为GO/CNT@LMO)。GO的屏障以及CNT的强导电性使得材料展现了良好的电化学性能。例如,该材料在0.5 M LiNO3水溶液中具有良好的充放电循环稳定性和倍率性能,优于LMO和GO@LMO电极。经过400次循环后,GO/CNT@LMO具有88mAh g-1的高放电容量,容量保持率达到80%。(2)采用溶胶-凝胶法原位引入CNT,制备了LMO与TiO2、CNT的复合气凝胶(简写为C-T-LMO-X,X为CNT的质量(单位mg),取值为30、50、70、100)。该气凝胶具有刚柔兼并的结构,利用TiO2胶的刚性可以很好的固定LMO颗粒,缓解其在充放电过程中发生Jahn-Teller效应而导致的锰元素的流失。CNT具有优良的导电性,可以使Ti02和LMO紧密相连。这样设计的网络结构,使得制备出的C-T-LMO-X(X=30,50,70,100)复合气凝胶表现出了完美的充放电循环性能以及倍率性能。以C-T-LMO-50样品为例,在0.5 Ag-1电流密度下200次充放电循环后,C-T-LMO-50样品的可逆放电比容量仍为93.7 mAh g-1,远远高于纯的LMO的比容量55.8 mAh g-1;在3和7 A g-1的大电流密度下,其平均放电比容量仍维持在97.6和93.1 mAh g-1。(3)采用在LMO外层原位包覆PPy的方法,制备出具有核壳结构的PPy@LMO-200、PPy@LMO-600两种复合材料。PPy作为一种导电性的包覆层材料,不仅缓减锰元素在电解液的流失,而且可以增加材料的导电性。相比于未包覆PPy的LMO,这种具有核壳结构的复合材料表现出特别好的储锂性能。比如,在0.5A g-1的电流密度下,充放电循环200次后,PPy@LMO-200、PPy@LMO-600的可逆放电比容量分别稳定在97.1和102.2 mAh g-1,明显高于纯的LMO样品(55.1 mAh g-1);在7 Ag-1的大电流密度下,其平均放电比容量分别高达108.2和102.8mAh g-1并且再次回到小电流密度0.3 A g-1时,其放电容量分别恢复到102.9和110.4 mAh g-1。