Synthesis,Characterization and Electrochemical Performance of Spinel LiMn2O4 Nanorods as Cathode of Li-ion Batteries.pdf

1、本論文，旨在提高鋰離子電池的電化學性能，通過簡易的水熱反應制各了前驅物二氧化錳納米棒，并且進一步通過固相反應制備了尖晶石錳酸鋰納米棒，進一步摻雜金屬元素的尖晶石錳酸鋰來作為鋰離子電池的正極材料，并且對其進行了結構方面的表征以及電化學方面的表征。
　　本文使用了X射線衍射儀(XRD)，掃描電子顯微鏡技術(SEM)以及透射電子顯微鏡對于材料的形貌和結構等進行了表征。運用循環(huán)伏安技術，恒電流充放電技術和電化學阻抗技術對尖晶石錳酸鋰以及金

2、屬摻雜后的錳酸鋰進行了電化學形貌方面的表征。
　　通過水熱法合成的前驅物的結構域結晶性經由XRD表征后，得到的譜峰與四方晶系的α-MnO2。而且得到的XRD譜峰尖銳明顯，強度較高，說明該前驅物具有較高的結晶性。
　　對于經過熱處理鋰化的α-MnO2，XRD結果表明，所有衍射峰都與純的面心立方晶系的尖晶石錳酸鋰對應（Fd3m空間點群），并且沒有檢測到α-MnO2的衍射峰。結果表明制備的尖晶石錳酸鋰呈現(xiàn)出相對較高的結晶度，并且α

3、-MnO2已經完全轉換成了錳酸鋰。經過金屬摻雜的錳酸鋰(LAlMO，LCoMO，LFeMO)譜峰均與尖晶石型錳酸鋰匹配。經過800度煅燒的金屬鋁摻雜的尖晶石錳酸鋰呈現(xiàn)出比未摻雜的尖晶石錳酸鋰更加尖銳的譜峰，說明它具有更好的結晶度，并且也沒有檢測到其他雜質。
　　掃描電鏡圖表明經過水熱反應所制備的α-MnO2前驅物呈現(xiàn)出均一的納米棒的形貌，并且沒有觀察到形貌的粒子出現(xiàn)。SEM圖，TEM圖，高分辨TEM圖以及選區(qū)電子衍射圖均被用于更深

4、入地確認所制備材料的形貌。鋰化后在600度下煅燒得到的尖晶石錳酸鋰納米棒以及800度下煅燒得到的LiAl0.1Mn1.9O4均保持了前驅物的納米棒狀的形貌，說明該結構具有較好的穩(wěn)定性。以上兩種材料在透射電鏡圖中均為幾百納米的尺寸，與掃描電鏡圖中的結果較為吻合。晶格條紋以及選區(qū)電子衍射圖的結果表明兩種材料均具有單晶的特征并具有良好的結晶度。
　　尖晶石錳酸鋰納米棒的電化學性能測試結果表明，在室溫下，該材料在1C(1C=150mA/g

5、)的電流密度下充放電時，首次的充電放電容量分別為142.2和117.3 mAh/g，第200周的充電放電容量分別為55.8和54.4 mAh/g。在55攝氏度下測試時，以0.2C的電流密度進行充放電，首次充放電容量分別為140.5和110.7mAh/g，第12周的充放電容量分別為100.2和93.3 mAh/g。這一良好的電化學性能應當歸功于尖晶石錳酸鋰納米棒具有一個比較穩(wěn)定的結構，以及它的一維結構有利于縮短鋰離子的擴散路徑。循環(huán)伏安測

6、試結果顯示，尖晶石錳酸鋰納米棒分別在4和4.2 V位置出現(xiàn)兩個氧化峰，對應著尖晶石型錳酸鋰兩步脫鋰化的反應。該結果也與充放電曲線的結果吻合。在3.8和4.1V的陽極峰也對應著兩個放電平臺，對于著尖晶石錳酸鋰的兩步嵌鋰化的反應。CV圖結果也表明鋰離子在尖晶石中的脫嵌鋰反應是能夠可逆進行的。
　　電化學測試結果表明800度煅燒后得到的LiAl0．1Mn1.9O4在室溫下以1C的電流密度進行充放電，能夠釋放106.7mAh/g的首圈放電

7、容量，并且經過200周的循環(huán)后仍然能保持105.6mAh/g的放電容量。當其在55度下以0.2C的電流密度進行充放電時，首周放電容量為110.2 mAh/g，第12周的放電容量為100.3 mAh/g。該材料在經過了200周的循環(huán)后呈現(xiàn)出一個很高的容量保持率，這是由于部分3價錳離子被3價鋁離子取代后晶胞參數(shù)減少以及導電性的提高。其中陰極峰的強度均強于陽極峰，這說明陰極過程的反應更加容易并且該過程是由擴散控制的，從而具有較好的可逆性。該電