硅元素掺杂改性尖晶石型锰酸锂的研究进展

尖晶石锰酸锂(LiMn₂O₄)具有理论比容量高、热稳定性高、价格低廉、循环性能良好等特点,深受研究者的亲睐,目前已有固相法、燃烧合成法和共沉淀等多种制备方法。为了进一步改善该材料的循环性能,研究者提出了元素掺杂的策略,元素掺杂改性是基于改变材料的晶体结构或材料中部分元素的平均价态来提高材料的电化学性能和结构的稳定性。Si⁴⁺掺杂可以取代材料中的部分Mn⁴⁺,从而使材料产生Jahn-Teller效应的离子数降低和尖晶石锰酸锂的八面体体积扩大,提高电化学性能。为此,综述了近几年来单一硅元素掺杂及硅与其他元素复合掺杂改性尖晶石型锰酸锂正极材料的研究进展。     

添加剂对尖晶石型锰酸锂性质表征的影响

以LiOH·H_20和MnO_2为原料,分别掺入H_2BO_3、Al_2O_3、SiO_2和P_2O_5等添加剂,用固相分段法制备尖晶石型锰酸锂。结果表明,SiO_2和P_2O_5可以有效地改善LiMn_2O_4的电化学性能,H_3BO_3对锰酸锂的电化学性能影响不大,而Al_2O_3破坏了LiMn_2O_4的电化学性能。面扫描结果显示,Si或P元素各自都均匀地分散于LiMn_2O_4的物相中。从元素电负性和原子半径的角度分析了B、Si、P和Al元素对尖晶石型LiMn_2O_4结构和性能的影响。     

二氧化锰原料对固相法制备尖晶石锰酸锂性能的影响

提高尖晶石锰酸锂的结构稳定性并优化其电化学性能是锂离子电池研究体系中的一项重要内容,而二氧化锰作为制备尖晶石锰酸锂的最常用锰源,它的性质对产物锰酸锂性能的影响非常关键。从这一应用角度出发,综述了二氧化锰的研究进展,主要论述了二氧化锰晶体结构、化学组成、物理特征等对制备尖晶石锰酸锂物理和化学性能的影响,提出了研发高品质的二氧化锰将成为提高锰酸锂的结构稳定性和电化学性能的一个重要突破口。     

尖晶石锰酸锂的制备、改性及其电化学表征

以MnCO3和Li2CO3为原料,利用高温固相法制备了尖晶石锰酸锂活性材料,并用TiO2水溶胶对其表面进行掺杂包覆改性。对比研究了活性材料改性前后的微观形貌和结构变化,并对以活性材料为正极材料组成的纽扣电池进行了电化学表征,同时,测试了循环后正极材料在电解液中锰离子的溶解浓度。结果表明:球磨结合高温固相法可成功制备尖晶石型锰酸锂;改性处理并没有改变活性材料的结构,反而优化了CR2016型电池的循环性能;在55℃、1C倍率或10C倍率下,改性后样品首次放电容量比原样品分别提高了20%或1倍有余;高温高倍率循环后,改性后正极材料在电解液中浸泡15d后,电解液中锰离子浓度仅为原样品的一半。     

镍铬复合掺杂尖晶石锰酸锂的合成与性能研究

采用高温固相合成法制备了LiMn2O4、Ni和Cr以及Ni-Cr复合掺杂的锂离子电池用锰酸锂正极材料.采用扫描电子显微镜、X射线粉末衍射和充放电性能测试等手段研究了材料的形貌、物相和电化学行为.结果表明:掺杂改善了材料的形貌,稳定了材料的结构.样品LiMn1.85Ni0.075Cr0.075O4的表面光滑,粒度分布范围小,为单一的尖晶石结构的物相.其首次放电容量为81.2mAh/g,300次循环后容量保持率为首次的91%,表现出优异的循环性能.     

尖晶石锰酸锂的组成对其结构和性能的影响

以电解二氧化锰和碳酸锂为原料用高温固相法合成了尖晶石锰酸锂,在锂与锰的原子比从0.95:2到1.1:2范围内,其结构为单一尖晶石相,晶格常数和比容量随着锂锰比的增加呈现出先增大后降低的变化规律.在锂锰比为1.0:2和1.02:2附近,晶格常数和比容量分别达到最大.这种变化规律与锂离子在晶格中的位置有关.在锂锰比从1.0:2到1.1:2的范围内,随着锂锰比的增加,尖晶石锰酸锂嵌脱锂反应过程的动力学极化逐渐降低,大电流性能逐渐提高.以尖晶石锰酸锂为正极,MCMB为负极组装了423048型电池,锂锰比从1.0:2到1.1:2,电池循环稳定性随锰酸锂的锂锰比的增大而提高.     

（1-x）Na0.5Bi0.5TiO3-xBaTiO3压电陶瓷的制备及其性能研究

通过固相合成法制备（1-x）Na0.5Bi0.5TiO3-xBaTiO3（x=0.02，0.06）（BNT-BT）无铅压电陶瓷．通过SEM、XRD等手段对粉体合成过程进行了分析与表征，并利用HP4294网络分析仪、d33准静态测试仪等对固相合成法制备的BNT-BT进行了相关性能研究．粉体的预烧温度为950℃，BNT-BT陶瓷的烧结温度为1150℃。结果表明当x=0．02时，密度为6．01g/cm^3，达到理论密度的99％．d33=122×10^-12C/N．     

溶胶-凝胶法制备尖晶石型锰酸锂的研究进展

尖晶石型锰酸锂具有独特的三维锂离子扩散通道,作为锂离子电池正极材料具有良好的充放电循环性能,且具有原材料价格便宜,对环境无污染等优点,使其成为最有希望替代LiCoO2的正极材料。尖晶石型LiMn2O4的制备方法成为近年来研究的重点,其中溶胶-凝胶法具有突出的优越性。简述了溶胶-凝胶法的基本原理,综述了溶胶-凝胶法在锰酸锂的制备及改性上的研究进展。     

钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂材料性能研究

本文对锂电池常用的三种正极材料,即钴酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂的材料性能进行了具体分析,从而探讨了三种材料在锂电池正极材料选择中的优势和特征,及其特定的应用价值。     

锂离子电池阴极材料LiMxMn2-xO4的合成方法研究

尖晶石LiMxMn2-xO4是最有希望替代LiCoO2的新一代锂离子电池阴极材料。本文对其晶体结构进行了详细的描述;综合评述了近年来各种制备LiMxMn2-xO4的方法,包括高温固相反应、微波烧结法、固相配位反应等“固相合成法”以及Pechini法、溶胶-凝胶法、微乳化等“软化学合成法”。并对各方法的优缺点进行了分析对比。其中“固相配位反应法”是本文作者的创新方法,既保持了高温固相反应法操作简便、易于工业化生产的的优点,同时也具有煅烧温度低、煅烧时间短、产品形貌较好、粒度相对较小、而且化学计量可控等优点。因此,该法具有十分巨大的潜在应用价值。     

聚丙烯酸法合成锂离子电池正极材料LixMn2O4

以聚丙烯酸为载体通过溶胶凝胶法合成纳米级尖晶石结构的锂离子电池正极材料LixMn2O4(1＜x＜1.12).讨论锂锰摩尔比、烧结温度对产物结构的影响.此外,改进了传统烧结方法,对烧结产物进行回火处理.实验结果表明,烧结温度为550℃时晶化完全,结构完整;当锂锰比为1.082时性能较佳,初始容量为125mAh/g;回火可改善LixMn2O4材料的性能.     

球形尖晶石LiMn2O4的制备及其改性

通过制备球形高密度前驱体MnCO3, 并对其预烧, 得到球形高密度、高活性的尖晶石LiMn2O4, 密度>1.8·cm-3, 纯相初始容量达125mAh·g-1.通过对前驱体MnCO3的体相掺杂和对预烧产品Mn2O3的表面包覆, 制备得到体相掺杂和表相掺杂的尖晶石锂锰氧, 其循环及高温性能得到明显改善.与体相掺杂相比, 表相掺杂能更有效地抑制容量衰减, 常温100个循环仍有109mAh·g-1, 容量保持率为92.4%; 高温55℃, 50个循环仍有95mAh·g-1, 容量保持率为82.6%.     

球形尖晶石LiMn2O4的制备及性能

通过氧化还原法在室温下制备出球形MnO2前驱体,以LiOH·H2O为锂源,按照一定锂锰摩尔比混合,在750℃下焙烧8h,得到球形尖晶石LiMn2O4.采用X射线衍射和扫描电镜对MnO2和LiMn2O4进行了表征,并对LiMn2O4样品做了充放电性能及循环性能测试.结果表明:合成的样品以球形颗粒存在,粒度大小均匀,分散性和流动性好;首次充放电比容量分别为130.5和128.2 mAh·g-1,充放电效率为98.2%,50次循环后容量保持率为90%,球形LiMn2O4具有较高的比容量和优良的循环性能.     

溶胶凝胶法制备尖晶石型LiMn2O4的研究现状及展望

综述了用溶胶凝胶法制备锂离子电池正极活性材料尖晶石型LiMn2O4的方法及其发展方向。溶胶凝胶法制备材料具有贩优越性,研究工作取得了很大进展,但还不够系统深入,工业化尚有较大困难,认为这一领域的研究方向为：溶胶凝胶过程的基础性研究;尖晶石型LiMn2O4正析材料的掺杂改性、低温合成、纳米化和薄膜化;优化工艺过程,降低制备成本,实现工业化。     

La2O3添加对MgAl2O4-CaAl4O7-CaAl12O19复合材料烧结行为的影响

为适应材料轻量化的发展需要,在1 400~1 600℃温度下开发了MgAl₂O₄-CaAl₄O₇-CaAl₁₂O₁₉（MA-CA₂-CA₆）复合材料,并考察了La₂O₃添加对该复合材料烧结行为、显微结构和力学性能的影响。结果表明,La₂O₃添加剂优先固溶到MA-CA₂-CA₆复合材料组成晶相CA₆中,促使CA₆相发生晶格畸变,有效抑制了CA₆晶粒沿基面的异常长大,其形貌由片状向等轴状趋势转变,促使MA-CA₂-CA₆复合材料制备过程中由于CA₆晶粒异常长大而导致的多孔网状显微结构得以有效消除,因此也极大地改善了Mg²⁺的扩散条件,在一定程度上间接促进了MA晶粒的发育,有效促进了MA-CA₂-CA₆复合材料的烧结。经1 200℃预烧、1 600℃保温2 h烧成后,当La₂O₃的添加量为4wt%时,MA-CA₂-CA₆复合材料试样的显气孔率由19.2%下降至6.1%,体积密度由2.78 g/cm³上升至3.18 g/cm³,制得了MA、CA₂、CA₆晶相呈现交织分布、显微结构致密、有利于其力学性能改善的La₂O₃/MA-CA₂-CA₆复合材料,经1 200℃预烧、-1 600℃保温2 h烧成后的4wt% La₂O₃添加试样,其冷态抗压强度由317 MPa增加到了501 MPa。     

焙烧温度对醋酸盐体系液相燃烧合成尖晶石型LiMn2O4的影响

以醋酸锂、醋酸锰为原料，尿素为燃料，用液相燃烧合成方法制备尖晶石型LiMn2O4物质，考察了焙烧温度（300-800℃焙烧5h）对产物的组成结构、晶粒大小及电化学性能的影响。实验结果表明，未焙烧产物中主晶相为LiMn2O4及少量Mn2O3，但在300-800℃焙烧5h后都可得到单相的LiMn2O4粉体材料，焙烧温度为900℃时，LiMn2O4部分分解为Mn3O4；产物颗粒随焙烧温度升高而长大，≤600℃时，产物颗粒〈100nm，≥700℃时产物颗粒〉100nm，可观察到LiMn2O4的特征八面体结构；在焙烧温度800℃以下，产物的电化学性能随焙烧温度的升高而增加。当电流密度为C/3时，焙烧温度为800℃的首次放电容量为105mAh／g，但循环性能较差，30次循环后仅剩83％。     

Sol–gel-template synthesis of ZnO nanotubes and its coaxial nanocomposites of LiMn2O4/ZnO

The coaxial nanostructure composite materials of LiMn₂O₄ nanowires encapsulated in ZnO nanotubes are fabricated successfully via sol–gel method by using two-step template process. Transmission electron microscopy (TEM) and scanning electronic microscopy (SEM) results conformably show that the synthesized ZnO nanotubes possess the explicit end-opened tubular structure in uniform out diameter and wall thickness. Selected area electron diffraction (SAED) pattern, X-ray diffractometer (XRD), and X-ray photoelectron spectroscope (XPS) analysis jointly demonstrate that the main body of the fabricated coaxial composites is spinel structure LiMn₂O₄. It is expected that the two-step template process can be used to mass-produce coaxial LiMn₂O₄/ZnO nanocomposite materials as a novel cathode materials in lithium ion battery.     

溶胶-凝胶法制备尖晶石锂锰氧正极材料

以丙氨酸为螯合剂采用软化学法制备了锂锰氧化物.XRD分析结果表明所合成的产物为尖晶石型锰酸锂;采用SEM对产物的形貌进行了表征,结果表明所合成产物主要为棒状,且颗粒大小分布均匀.通过FT-IR及TG/DTA等手段初步探讨了产物的合成机理.采用循环充放电测试考察了产物的电化学性能,结果表明采用此法制备的产物具有优异的电化学性能.     

温度对燃烧包覆LiMn2O4/ZnO及其电性能的影响

通过葡萄糖辅助低温燃烧制备ZnO包覆型LiMn2O4,利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、循环伏安、交流阻抗以及恒流充放电测试等手段,研究了温度对产物晶体结构、微观形貌及电化学性能的影响。XRD结果表明所有产物均为单相尖晶石型LiMn2O4结构。SEM结果表明产物的颗粒尺寸随温度的升高而增大。电化学性能测试表明400℃和500℃制备的LiMn2O4/ZnO具有相对优异的电化学性能,室温1C条件下首次放电比容量分别为119.3mAh/g、116.3mAh/g,循环100次后容量保持率分别85.6%、87.8%。尖晶石LiMn2O4电极的阻抗谱特征与温度有关,电池的电化学性能主要受电荷转移电阻(Rct)影响。