特殊微纳米结构的氧化锰合成和对尖晶石LiMn2O4结构、形貌和电性能的影响

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尖晶石型锰酸锂工作电压为3.8V(vs.Li),理论容量148mAh/g,因其具有资源丰富、成本低廉、安全性好、无环境污染以及制备容易等优点被认为是动力电池的理想材料。但是,容量衰减快的缺点成为其应用的严重障碍。目前,主要从优化合成方法、不同元素的掺杂、表面修饰和寻找高效电解液等方面,改善其循环稳定性。研究表明锰酸锂材料的性能在很大程度程度上依赖于材料的晶体形貌、结晶度和一次颗粒大小。本文主要以特殊微纳米结构的氧化锰作为前躯体研究合成条件对锰酸锂晶体结构、形貌,尤其是一次颗粒的微米化以及电化学性能的影响。1.中空微球锰酸锂的简易制备及性能研究:以MnSO4H2O和Na2S2O8为反应物按等摩尔配比成一定浓度的溶液,在常压和50°C温度下,静止48h直接合成出多层核壳结构的MnO2球形颗粒,这种多层核壳结构的MnO2颗粒是由纳米线组装而成。以多层核壳结构的MnO2为前驱体合成的空心球形尖晶石锰酸锂是由结晶良好的微米级单晶组合而成。实验结果表明:这种空心球体的锰酸锂具有高比容量、高倍率以及优异的循环性能,且合成方法简单、条件温和、易操作,是动力锂离子电池理想的正极材料。2.大粒径尖晶石锰酸锂单晶的制备及性能研究:以MnSO4H2O和Na2S2O8为原料,经50°C液相静态合成出了多核壳层结构的γ-MnO2颗粒,后1050°C高温处理,可以得到结晶度高,钠离子含量低,单晶颗粒大的球形多孔笼状的Mn3O4。以合成的Mn3O4作为前躯体在800°C下烧结可以合成出直径为7μm左右的多面体锰酸锂单晶,有效地规避了高温烧结带来锰酸锂分解的副作用。合成的大颗粒单晶锰酸锂结晶度高,比表面小,表现出优异的倍率充放电性能、循环性能和高温存储性能。3.β-MnO2纳米线合成锰酸锂的适宜烧结温度研究:将五份前躯体二氧化锰与一水合氢氧化锂的混合物通过常规的研磨之后,先在程序控温箱式炉中550°C预热8h,然后将五份样品分别升至700°C、750°C、800°C、850°C、900°C焙烧24h,通过比表面积、X-射线衍射、扫描电镜、电性能测试,研究了通过纳米结构的前躯体二氧化锰与锂盐烧结的反应机理,通过与电解二氧化锰和锂盐烧结的过程对比,得到了纳米结构前躯体与锂盐烧结合成锰酸锂单晶材料所需控制的最佳烧结温度。这一温度条件的控制既避免了固相烧结所带来的使样品颗粒团聚以及高温致使所生成样品分解的不良作用。
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