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(xué)性能，通過簡易的水熱反應(yīng)制各了前驅(qū)物二氧化錳納米棒，并且進(jìn)一步通過固相反應(yīng)制備了尖晶石錳酸鋰納米棒，進(jìn)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(jìn)行了結(jié)構(gòu)方面的表征以及電化學(xué)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(shù)(SEM)以及透射電子顯微鏡對于材料的形貌和結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了表征。運(yùn)用循環(huán)伏安技術(shù)，恒電流充放電技術(shù)和電化學(xué)阻抗技術(shù)對尖晶石錳酸鋰以及金

2、屬摻雜后的錳酸鋰進(jìn)行了電化學(xué)形貌方面的表征。
　　通過水熱法合成的前驅(qū)物的結(jié)構(gòu)域結(jié)晶性經(jīng)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(qiáng)度較高，說明該前驅(qū)物具有較高的結(jié)晶性。
　　對于經(jīng)過熱處理鋰化的α-MnO2，XRD結(jié)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(yīng)（Fd3m空間點(diǎn)群），并且沒有檢測到α-MnO2的衍射峰。結(jié)果表明制備的尖晶石錳酸鋰呈現(xiàn)出相對較高的結(jié)晶度，并且α

3、-MnO2已經(jīng)完全轉(zhuǎn)換成了錳酸鋰。經(jīng)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(jīng)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(jié)晶度，并且也沒有檢測到其他雜質(zhì)。
　　掃描電鏡圖表明經(jīng)過水熱反應(yīng)所制備的α-MnO2前驅(qū)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(rèn)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(qū)物的納米棒狀的形貌，說明該結(jié)構(gòu)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(jié)果較為吻合。晶格條紋以及選區(qū)電子衍射圖的結(jié)果表明兩種材料均具有單晶的特征并具有良好的結(jié)晶度。
　　尖晶石錳酸鋰納米棒的電化學(xué)性能測試結(jié)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(shí)，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(shí)，以0.2C的電流密度進(jìn)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(xué)性能應(yīng)當(dāng)歸功于尖晶石錳酸鋰納米棒具有一個(gè)比較穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，以及它的一維結(jié)構(gòu)有利于縮短鋰離子的擴(kuò)散路徑。循環(huán)伏安測

6、試結(jié)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(gè)氧化峰，對應(yīng)著尖晶石型錳酸鋰兩步脫鋰化的反應(yīng)。該結(jié)果也與充放電曲線的結(jié)果吻合。在3.8和4.1V的陽極峰也對應(yīng)著兩個(gè)放電平臺，對于著尖晶石錳酸鋰的兩步嵌鋰化的反應(yīng)。CV圖結(jié)果也表明鋰離子在尖晶石中的脫嵌鋰反應(yīng)是能夠可逆進(jìn)行的。
　　電化學(xué)測試結(jié)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(jìn)行充放電，能夠釋放106.7mAh/g的首圈放電

7、容量，并且經(jīng)過200周的循環(huán)后仍然能保持105.6mAh/g的放電容量。當(dāng)其在55度下以0.2C的電流密度進(jìn)行充放電時(shí)，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(jīng)過了200周的循環(huán)后呈現(xiàn)出一個(gè)很高的容量保持率，這是由于部分3價(jià)錳離子被3價(jià)鋁離子取代后晶胞參數(shù)減少以及導(dǎo)電性的提高。其中陰極峰的強(qiáng)度均強(qiáng)于陽極峰，這說明陰極過程的反應(yīng)更加容易并且該過程是由擴(kuò)散控制的，從而具有較好的可逆性。該電