锰酸锂的制备及其电化学性能

锰酸锂的制备及其电化学性能

锰酸锂具有安全性高、成本低、无毒、无污染等优点,被认为是最有希望取代LiCoO2应用于大功率用电设备的锂离子电池正极材料。因此,对于锰酸锂制备及应用的研究引起了国内外相关领域的广泛关注。

本论文选取锰酸锂为研究对象,对该系列材料的制备方法、工艺条件进行了探索研究,并初步测试了其在Li2SO4水溶液电解液中的电化学性能。首先采用水热甲醇还原反应法制备出层状o-LiMnO2亚微米棒。

该制备过程分两步进行：第一步是通过KMnO4与乙二胺的水热反应合成MnOOH亚微米棒前驱体(含有少量Mn3O4杂质相)；第二步是o-LiMnO2亚微米棒的制备。通过实验确定前驱体的最佳制备条件为：n(乙二胺)/n(KMnO4)=2,120℃水热反应12小时。

XRD结果表明,在第二步中前驱体易被氧化形成杂质相Li0.2Mn2O4。对第二步的探索实验表明,当LiOH的浓度为3mol/L、V(甲醇)/V(H20)=5时,对

(?)o-LiMnO2(?)目的生成最为有利。

在分析实验结果的基础上,提出了o-LiMnO2亚微米棒的形成过程。材料的电化学性能分析表明,层状o-LiMnO2在首次循环就已发生晶相转变形成类尖晶石型LiMn2O4.继而采用醋酸溶胶-凝胶法成功地制备了高纯度、高结晶度的尖晶石型LiMn2O4.通过TG、XRD、FTIR和Raman分析,确定了材料的制备工艺条件：煅烧温度为600-800℃,煅烧时间仅需2小时。

通过SEM和电化学测试对65℃下制备的典型样品的形貌和电化学性能进行了分析,结果表明样品的晶粒尺寸为亚微米级,LiMn2O4电极在充放电过程中表现出良好的可逆性和较好的大电流放电性能。最后采用改进的固相反应法制备出

了LiMn2O4亚微米棒,并考察了煅烧温度和煅烧时间对最终产物的影响。

结果表明提高煅烧温度和延长煅烧时间均有利于提高LiMn2O4材料的纯度和结晶度。采用此方法在700℃下煅烧8小时和900℃下煅烧3小时均得到了高纯度的LiMn2O4(?)亚微米棒,但700℃下得到的棒状结构直径更小、尺寸分布更为均匀,其平均直径约为0.35μm,平均长度超过2.5μm。

电化学性能测试结果表明两个样品均具有良好的大电流放电性能,二者的放电容量值在1000和200mA/g的电流密度范围内都几乎保持不变,且在不同电流密度下的库伦效率值均超过98.6%。在500mA/g的电流密度下700℃下得到样品的初始放电容量为91.1mAh/g,循环200次容量损失仅为5.4%。