不同二氧化锰制备尖晶石型锰酸锂的研究
- 格式:pdf
- 大小:133.15 KB
- 文档页数:3
二氧化锰原料对固相法制备尖晶石锰酸锂性能的影响尖晶石锰酸锂(LiMn2O4)作为一种重要的正极材料,在锂离子电池中具有广泛的应用前景,其性能直接影响到最终电池的性能。
固相法是尖晶石锰酸锂合成的一种常用方法,其中二氧化锰作为一种主要原料,对材料的性能有着重要的影响。
本文将探讨二氧化锰原料对固相法制备尖晶石锰酸锂性能的影响,并对其影响机制进行分析。
一、固相法制备尖晶石锰酸锂固相法是制备尖晶石锰酸锂的一种常用方法,其主要原料包括锂盐和锰盐。
在反应过程中,锂盐和锰盐在高温下发生反应,生成尖晶石锰酸锂。
在这一过程中,二氧化锰作为锰盐的主要原料,对尖晶石锰酸锂的组成和性能有着重要的影响。
二、二氧化锰原料的选择在固相法制备尖晶石锰酸锂的过程中,二氧化锰的选择对最终产品的性能有着重要的影响。
一般来说,二氧化锰的纯度、形貌、晶粒大小等特性会直接影响到尖晶石锰酸锂的电化学性能。
因此,在选择二氧化锰原料时,需要考虑到其物理化学性质,以及尖晶石锰酸锂的要求。
1.纯度:二氧化锰的纯度会直接影响到尖晶石锰酸锂的纯度和电化学性能。
高纯度的二氧化锰可以减少杂质对尖晶石锰酸锂的影响,提高产品的性能稳定性。
2.形貌:二氧化锰的形貌也会对尖晶石锰酸锂的性能产生影响。
通常来说,颗粒状的二氧化锰比粉末状的二氧化锰更容易形成均一的反应体系,有利于生成高质量的尖晶石锰酸锂。
3.晶粒大小:二氧化锰的晶粒大小直接关系到尖晶石锰酸锂的颗粒大小和电化学性能。
较小的晶粒通常意味着更高的比表面积,有利于锂离子的扩散和嵌入,提高电池的循环性能。
三、影响机制二氧化锰的物理化学性质会直接影响到尖晶石锰酸锂的形成和性能。
高纯度的二氧化锰有利于减少杂质对尖晶石锰酸锂的干扰,提高材料的纯度和电化学性能;颗粒状的二氧化锰易于形成均一的反应体系,有利于生成高质量的尖晶石锰酸锂;较小的晶粒有助于提高材料的比表面积和电化学性能。
四、结论。
以二氧化锰为原料制备锰酸锂正极材料二氧化锰是一种重要的锂离子电池正极材料,它在锂离子电池中具有高能量密度、高电压等优点,因此广泛应用于锂离子电池领域。
本文将详细介绍以二氧化锰为原料制备锰酸锂正极材料的方法和工艺。
制备锰酸锂正极材料的方法有很多种,包括溶胶-凝胶法、硝酸盐法、水热法等。
其中溶胶-凝胶法是一种常用且较为简便的方法。
以下将通过介绍这种方法的步骤和过程来说明以二氧化锰为原料制备锰酸锂正极材料的工艺。
首先,准备所需的原料和试剂,包括二氧化锰、硝酸锂等。
二氧化锰一般可以通过氧化锰矿石得到,而硝酸锂则可以通过硝酸和碳酸锂反应得到。
接下来,将二氧化锰与适量的溶剂(如水、乙醇等)混合,使其溶解均匀。
然后,在室温下缓慢加入硝酸锂溶液,并同时搅拌,使二氧化锰完全被硝酸锂溶解。
当二氧化锰完全被硝酸锂溶解后,可以得到溶胶体系。
接下来,将溶胶体系进行凝胶化处理。
凝胶化处理可以通过加热溶胶体系来实现,一般情况下,可将溶胶体系置于恒温槽中,在适当的温度下加热一段时间。
在凝胶化过程中,二氧化锰与硝酸锂反应生成锰酸锂。
凝胶化处理完成后,需要将凝胶进行干燥。
干燥的方法有多种,可以通过真空干燥、自然晾干等。
干燥后,得到的产物即为锰酸锂正极材料。
最后,对锰酸锂正极材料进行烧结处理。
烧结处理可以提高锰酸锂正极材料的结晶度和稳定性,一般通过高温加热来实现。
烧结温度和时间需要根据具体情况进行调整,一般情况下,可以在1000℃以上的高温下进行烧结处理。
通过以上步骤,以二氧化锰为原料制备锰酸锂正极材料的工艺就完成了。
整个过程中,需要注意反应条件的控制和操作规范,以确保制备出高质量的锰酸锂正极材料。
总结起来,以二氧化锰为原料制备锰酸锂正极材料的工艺主要包括原料准备、溶胶-凝胶法制备溶胶体系、凝胶化处理、干燥和烧结处理等步骤。
这种方法简便易行,能够得到高质量的锰酸锂正极材料,有良好的应用前景。
二氧化锰原料对固相法制备尖晶石锰酸锂性能的影响*蒋庆来,胡国荣,彭忠东,杜 柯,刘业翔(中南大学冶金科学与工程学院,湖南长沙410083)摘 要: 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。
关键词: 锂离子电池;正极材料;尖晶石锰酸锂;二氧化锰;晶体结构中图分类号: TM910.4文献标识码:A 文章编号:1001-9731(2010)09-1485-051 引 言近年来电动汽车及无线电工具的高速发展,使具有高能量密度的锂离子电池具有越来越强的吸引力[1]。
而其中尖晶石型锰酸锂(LiM n2O4)正极材料由于具有锰资源丰富、价廉、无毒、安全性好、嵌/脱锂量大、电压平台高及较好的大电流充放电能力等优势,己经成为绿色环保电源的首选电极材料之一[2]。
当前,影响它实用化的主要问题是由于锰的溶解、电解液分解[3]及Jahn-Teller畸变[4]等因素导致容量衰减较快,而对其改性研究的重点仍在制备方法、掺杂、表面包覆等方面,旨在提高材料的放电比容量及循环稳定性[5]。
众所周知,正极材料的制备方法以及原材料的性质对产品的物理和电化学性能有很大影响[6,7]。
尖晶石锰酸锂的合成方法大体可分为两大类:固相合成和湿化学合成。
其中固相合成法具有工艺简单、制备条件容易控制和易于工业化生产等优点,因而被广泛采用。
二氧化锰来源广泛,本身也具有电化学活性,在碱锰电池方面已经有很成熟的应用,很自然成为固相合成锰酸锂的首选原料。
同时二氧化锰的结构和性质具有多样性[8],必然影响到产品锰酸锂的物理和化学性能。
专利名称:锂离子电池正极材料用尖晶石型锰酸锂的制备方法专利类型:发明专利
发明人:力虎林,张校刚,包淑娟,贺本林,梁彦瑜,周文佳,张国庆
申请号:CN200610086000.3
申请日:20060616
公开号:CN1872702A
公开日:
20061206
专利内容由知识产权出版社提供
摘要:本发明公开了一种锂离子电池正极材料用尖晶石型锰酸锂的制备方法,包括下列步骤:将电解二氧化锰按比例加入到一定浓度的醋酸锂与醋酸铝的水溶液中,混合均匀;经球磨、干燥、自然冷却、再加入醇水溶液,调成浆状,干燥后制得反应前驱体;将得到的前驱体分别在200~800℃分别煅烧2~24小时。
本发明方法制得的锂离子电池正极材料具有容量高、循环稳定性突出、粒径均匀、无杂质相等优点。
与现有的技术相比,本发明的工艺简单、实用、成本低,易于实现规模化工业生产。
申请人:南京航空航天大学
地址:210016 江苏省南京市御道街29号
国籍:CN
代理机构:南京苏高专利事务所
代理人:阙如生
更多信息请下载全文后查看。
尖晶石锰酸锂的制备与性能研究尖晶石锰酸锂的制备与性能研究导语:锂离子电池作为一种高性能的储能设备,已经广泛应用于电动汽车、智能手机、电子设备等领域。
而锂离子电池的性能很大程度上取决于正极材料的性能,其中尖晶石锰酸锂是一种备受关注的正极材料。
本文将介绍尖晶石锰酸锂的制备方法和其性能研究。
一、尖晶石锰酸锂的制备方法在尖晶石锰酸锂的制备方法中,主要包括固相法和溶液法两种常见的合成方法。
1. 固相法固相法是通过高温固相反应来制备尖晶石锰酸锂。
首先将锰盐和锂盐以一定的比例混合,在高温下进行反应,最后得到尖晶石锰酸锂。
常用的反应温度为800-1000摄氏度,反应时间一般为数小时。
2. 溶液法溶液法是通过将锰盐、锂盐和适当溶剂混合在一起,并在一定条件下反应生成尖晶石锰酸锂。
在溶液法中,常见的反应条件包括温度、反应时间、溶液浓度和pH值等。
通过调节这些条件,可以控制尖晶石锰酸锂的粒径、形貌和晶格结构等。
二、尖晶石锰酸锂的性能研究1. 循环性能循环性能是评价锂离子电池正极材料优劣的重要指标之一。
尖晶石锰酸锂通常在3-4V之间具有较好的电化学性能,能够提供较高的电荷/放电容量,并具有较好的循环稳定性。
研究表明,尖晶石锰酸锂具有较低的内阻和较好的电子和离子传导性能,可以提高锂离子电池的循环寿命。
2. 安全性能安全性是锂离子电池应用过程中的一项重要考虑因素。
尖晶石锰酸锂具有较高的热稳定性和较低的热失控风险,可有效提高锂离子电池的安全性。
研究人员通过热失控实验等方法,评估了尖晶石锰酸锂材料的热失控行为,并提出了相应的安全措施。
3. 改性与优化尖晶石锰酸锂的电化学性能可以通过合金化、表面涂层和杂质掺杂等方式进行改性和优化。
例如,通过在尖晶石锰酸锂的表面涂层一层导电性较好的材料,可以提高其电子传导性能;通过掺杂适当的杂质,可以提高其离子传输性能。
结语:尖晶石锰酸锂作为锂离子电池正极材料的重要代表之一,其制备方法和性能研究对于锂离子电池性能的提升具有重要意义。
第43卷第3期2024年6月沈㊀阳㊀理㊀工㊀大㊀学㊀学㊀报JournalofShenyangLigongUniversityVol 43No 3Jun 2024收稿日期:2023-07-08基金项目:国家自然科学基金项目(52004165)ꎻ2023年度沈阳市科技技术计划项目(23-407-3-27)ꎻ辽宁省教育厅高等学校基本科研项目(面上项目)(JYMS20230180)作者简介:崔勇(1983 )ꎬ男ꎬ副教授ꎬ博士ꎬ研究方向为锂离子电池正负极材料的制备及应用㊁薄膜太阳能电池材料的制备及应用ꎮ文章编号:1003-1251(2024)03-0070-06锰源对合成尖晶石锰酸锂的影响及电化学性能分析崔㊀勇1ꎬ唐啸虎1ꎬ邵忠财1ꎬ邵鸿媚1ꎬ张㊀伟1ꎬ李学田1ꎬ董㊀华2(1.沈阳理工大学环境与化学工程学院ꎬ沈阳110159ꎻ2.西北工业集团有限公司ꎬ西安710043)摘㊀要:使用不同金属锰源(醋酸锰ꎬ硫酸锰ꎬ氯化锰)为原料ꎬ合成具有尖晶石结构的锂离子电池正极材料锰酸锂ꎮ首先采用共沉淀法合成锰酸锂前驱体ꎬ然后采用空气中热处理手段制备锰酸锂正极材料ꎮ通过X射线衍射㊁扫描电镜对合成材料的结构㊁形貌及组成进行分析ꎬ结果表明三种锰源制备的锰酸锂正极材料均具有尖晶石结构ꎮ采用电化学方法测试合成材料组装的锂离子电池充放电性能ꎬ结果显示氯化锰㊁醋酸锰及硫酸锰制备的锰酸锂正极材料分别具有108 9㊁104 4和95 5mAh/g的放电比容量ꎬ表明使用氯化锰作为锰源制备的锰酸锂正极材料具有最佳的电化学放电性能ꎬ在经历50次充放电循环之后ꎬ锰酸锂正极材料仍然具有97 4%的容量ꎮ关㊀键㊀词:锰源ꎻ锰酸锂ꎻ锂离子电池ꎻ电化学性能中图分类号:TM912文献标志码:ADOI:10.3969/j.issn.1003-1251.2024.03.010EffectofManganeseSourceonSynthesisofSpinelLithiumManganateandAnalysisofElectrochemicalPerformanceCUIYong1ꎬTANGXiaohu1ꎬSHAOZhongcai1ꎬSHAOHongmei1ꎬZHANGWei1ꎬLIXuetian1ꎬDONGHua2(1.ShenyangLigongUniversityꎬShenyang110159ꎬChinaꎻ2.NorthwestIndustriesGroupCo.ꎬLtd.ꎬXi an710043ꎬChina)Abstract:Usingdifferentmetalmanganesesourcesꎬmanganeseacetateꎬmanganesesulfateꎬmanga ̄nesechlorideasrawmaterialsꎬlithiumionbatterycathodemateriallithiummanganatewithspinelstructurewassynthesized.Thelithiummanganateprecursorwassynthesizedbyco ̄precipitationwayꎬandthenthelithiummanganatecathodematerialwaspreparedbyheattreatmentinair.Thestructureꎬthemorphologyandcompositionofas ̄synthesizedsampleswerecharacterizedbyX ̄raydiffractionandSEM.Thechargeanddischargeperformanceofthelithium ̄ionbatterywastestedbyelectrochemicalmethod.Thelithiummanganatecathodematerialspreparedbythreemanganesesourceshaduniformspinelstructure.Thecathodematerialspreparedbymanganesechlorideꎬman ̄ganeseacetateandmanganesesulfatehadtheelectrochemicalpropertiesof108 9ꎬ104 4and95 5mAh/g.Thelithiummanganatecathodematerialpreparedusingmanganesechlorideasamanganesesourcehadthebestelectrochemicaldischargeperformanceꎬandstillhadacapacityof97 4%after50chargeanddischargecycles.Keywords:manganesesourceꎻLiMn2O4ꎻLi ̄ionbatteriesꎻelectrochemicalperformance㊀㊀锂离子电池具有高容量㊁长期循环稳定性好等优点ꎬ广泛应用于通信㊁汽车㊁储能等领域[1]ꎮ锂离子电池的发展离不开材料的开发和性能优化ꎬ正㊁负极材料在很大程度上决定了锂离子电池的电化学性能ꎮ锂离子电池的正极材料主要有钴酸锂(LCO)[2]㊁磷酸铁锂(LFP)[3]㊁锰酸锂(LMO)[4-5]和镍钴锰三元(NCM)材料[6-7]ꎮ由于环境保护和成本因素ꎬ钴和镍的使用受到限制[8-10]ꎮ尽管LFP作为锂离子电池的正极材料具有良好的稳定性和成本优势ꎬ但其放电比容量难以提高ꎬ并且在高温下放电比容量下降明显ꎬ该现象影响了其作为锂离子电池正极材料的大规模应用[11-13]ꎮ锰元素具有含量高㊁分布广和开发生产成本低等优点ꎬ且制备的锰酸锂正极材料具有高放电平台和高放电电压的优势ꎬ具有良好的应用前景ꎮ但锰酸锂本身也存在一定的缺陷ꎬ由于Jahn ̄Taler效应的存在[14-17]ꎬ锰酸锂电池的循环稳定性受到了很大影响ꎬ因此对锰酸锂进行性能优化和改进成为当前研究的重点方向ꎮ锂离子电池正极材料的合成方法包括沉淀法㊁水热法和高温固相法ꎮ沉淀法是制备超细粉体的有效方法ꎬ具有制备条件简单㊁反应快速㊁粉体形貌可控㊁尺寸均匀等优点ꎬ也是制备锂离子电池正极材料的一种优良方法ꎮ为了获得分散均匀的粉末ꎬ本文使用不同锰源ꎬ采用沉淀法制备锰酸锂正极材料ꎬ对其结构㊁形貌进行表征ꎮ研究不同锰源对锰酸锂正极材料的放电性能㊁循环性能和交流阻抗的影响ꎮ1㊀实验部分1.1㊀主要试剂硫酸锰(MnSO4 H2O)㊁醋酸锰((CH3COO)2 4H2O)㊁氯化锰(MnCl2 4H2O)㊁碳酸氢铵(NH4HCO3)㊁氢氧化锂(LiOH H2O)㊁炭黑㊁聚偏氟乙烯(PVDF)㊁N-甲基吡咯烷酮(NMP)ꎬ以上试剂均为分析纯ꎬ均购于国药集团化学试剂有限公司ꎮ1.2㊀样品制备采用化学沉淀法制备锰酸锂(LiMn2O4)正极材料ꎬ工艺流程如图1所示ꎮ㊀㊀分别配制一定浓度的碳酸氢铵溶液和锰源溶液ꎮ碳酸氢铵作为沉淀剂ꎬ以每分钟10滴的速度滴入锰源溶液中ꎬ制备锰酸锂前驱体ꎮ将锰酸锂前驱体和锂源在研钵中研磨ꎬ使两者混合均匀ꎬ放置在马弗炉中加热到500ħꎬ保温2hꎬ然后加热到700ħ保温10hꎬ制得锰酸锂正极材料ꎮ为便于比较ꎬ将由硫酸锰㊁醋酸锰和氯化锰合成的锰酸锂材料分别表示为LMO ̄S㊁LMO ̄A和LMO ̄Cꎮ图1㊀锰酸锂正极材料的制备流程Fig.1㊀FabricationprocessofLMOcathodematerials㊀㊀电极由活性物质锰酸锂㊁炭黑和PVDF的混合物制备而成ꎬ质量比为8ʒ1ʒ1ꎮ将混合物分散在N-甲基吡咯烷酮中ꎬ所得浆液均匀分散在铝箔上ꎬ90ħ真空干燥12h后ꎬ组装CR2032型号硬币电池ꎮ1.3㊀样品表征采用Cu ̄Kα辐射的X射线衍射仪(XRDꎬ岛津6100ꎬ日本岛津公司)测定样品的晶体结构ꎬXRD数据采集范围为10ʎ~80ʎꎬ扫速7(ʎ)/minꎮ采用扫描电镜(SEMꎬVEGA3 ̄XMUꎬ捷克Tescan公司)在20kV强度的电子束条件下测量样品的形貌ꎮ采用能量色散X射线光谱(ZEISSGemi ̄niSEM500ꎬ卡尔蔡司公司)对样品表面的元素进行鉴定ꎮ1.4㊀电化学性能表征在3 3~4 5V范围内测试锰酸锂的电化学性能ꎬ扫描速率为0 1mV/sꎮ电化学性能交流阻抗谱(EIS)测量在0 01~100kHz频率范围内进行ꎮ2㊀结果与讨论2.1㊀锰酸锂的结构分析不同锰源制备锰酸锂正极材料的XRD谱图ꎬ如图2所示ꎮ㊀㊀由图2可知ꎬLMO ̄A㊁LMO ̄C和LMO ̄S三个样品在衍射角分别为18 67ʎ㊁36 21ʎ㊁37 88ʎ㊁44 02ʎ㊁48 21ʎ㊁58 64ʎ㊁64 01ʎ㊁67 32ʎ㊁75 81ʎ和76 85ʎ处出现衍射峰ꎬ与JCPDS70 ̄3120卡片中锰酸锂的(111)㊁(311)㊁(222)㊁(400)㊁(331)㊁(511)㊁(440)㊁(531)㊁(533)和(622)晶面峰值相对应ꎬ无明显偏移ꎬ属Fd ̄3m空间群的立方尖晶石结构ꎮ使用Jade软件对数据进行整理ꎬ得到不同锰17第3期㊀㊀㊀崔㊀勇等:锰源对合成尖晶石锰酸锂的影响及电化学性能分析源制备锰酸锂的晶面间距a和晶胞体积Vꎮ利用布拉格方程㊁谢乐公式等计算出晶面间距及晶粒尺寸Dꎬ如表1所示ꎮ图2㊀锰酸锂正极材料的XRD谱图Fig.2㊀XRDpatternsofspinellithiummanganatecathodematerials表1㊀不同锰源合成锰酸锂样品的参数Table1㊀Parametersoflithiummanganatesynthesizedfromdifferentmanganesesources锰酸锂a/ÅV/Å3D/nmLMO ̄A8 2225555 9250 3LMO ̄S8 2306557 5555 9LMO ̄C8 2163554 6645 8㊀㊀衍射峰面越宽ꎬ晶粒尺寸越小ꎬ越有利于Li+的扩散ꎮ综合图2和表1ꎬ比较三种不同锰源合成的锰酸锂样品可知ꎬLMO ̄C相较于LMO ̄A和LMO ̄Sꎬ拥有更小的晶粒尺寸和更短的晶面间距ꎬ更有利于Li+的传输扩散ꎮ2.2㊀锰酸锂的形貌分析图3为不同锰源合成的尖晶石锰酸锂正极材料的SEM图像ꎮ由图3可见:样品LMO ̄S颗粒分布大小不一ꎬ在图示倍率下的SEM图像中ꎬ颗粒聚集严重ꎬ成块较明显ꎻLMO ̄C和LMO ̄A的颗粒分布较为均匀ꎬ颗粒成块少且小ꎻ与LMO ̄A相比ꎬLMO ̄C的颗粒样貌更为完整分散ꎬ无明显颗粒团聚ꎮ锂离子电池性能与正极材料的形貌㊁尺寸㊁分散性有关ꎬ为了提高电池的性能ꎬ必须提高电极内的Li+扩散速度ꎬ缩短Li+在正极材料中的扩散距离ꎮ电极材料的粒径影响了Li+的扩散ꎬ进而影响锂离子电池的额定容量ꎮ从这方面来看ꎬ电极的结构越细小ꎬ对电池性能越有利ꎬ在此类电极中ꎬLi+扩散距离显著缩短ꎬ有利于电池的电化学性能提高ꎮ图3中材料的分散程度和粒径大小与XRD测试计算结果基本吻合ꎮ该部分结果也与下文中锰酸锂的电化学测试结果一致ꎬ表明氯化锰作为锰源制备的锰酸锂正极材料有较好的容量和电化学循环性能ꎮ图3㊀不同锰源合成尖晶石锰酸锂正极材料的SEM图像Fig.3㊀SEMimagesofspinellithiummanganatecathodematerialssynthesizedfromdifferentmanganesesources㊀㊀氯化锰作为锰源制备锰酸锂的SEM图如图4所示ꎮ由图4(a)可见ꎬ锰酸锂前驱体尺寸均匀ꎬ分散性好ꎬ但无完整的粒状结构和清晰的晶界ꎮ由图4(b)可见ꎬ锰酸锂前驱体煅烧完成后ꎬ形成了完整的粒状结构和清晰的晶界ꎬ得到的材料具有良好的分散性ꎮ由图4(c)㊁图4(d)可知ꎬ元素27沈㊀阳㊀理㊀工㊀大㊀学㊀学㊀报㊀㊀第43卷均匀分布ꎬ无明显的团聚现象ꎮ图4㊀氯化锰为锰源制得锰酸锂的SEM图像Fig.4㊀SEMimagesoflithiummanganateproducedbyusingmanganesechlorideasmanganesesource2.3㊀锰酸锂的电化学性能分析三种不同锰源制备的锰酸锂正极材料在0 2C倍率下的首次充放电曲线如图5所示ꎬ充放电50次的循环性能曲线如图6所示ꎬ其放电性能数据如表2所示ꎮ图5㊀锰酸锂正极材料的首次充放电图Fig.5㊀Initialcharge/dischargediagramoflithiummanganatecathodematerials图6㊀锰酸锂正极材料充放电50次的循环性能曲线Fig.6㊀Cycleperformancecurvesoflithiummanganatecathodematerialsfor50timesofcharginganddischarging㊀㊀由图5可见ꎬ三种不同锰源的锰酸锂正极材料充放电曲线均出现两个明显的电压平台ꎬ表明锰酸锂的充放电过程是分步进行的ꎬ两个电压平台对应不同的电化学反应过程ꎮ由图6可知ꎬLMO ̄C的放电容量为108 9mAh/gꎬ明显高于LMO ̄A和LMO ̄S(放电容量分别为104 4mAh/g和95 5mAh/g)ꎬ具有更好的优势ꎮ由表2可知ꎬLMO ̄C相比LMO ̄A和LMO ̄Sꎬ拥有更高的放电容量㊁更好的容量保持率ꎮ在使用三种不同锰源制备锰酸锂的过程中ꎬ不同锰源与铵根离子结合的产物分别为氯化铵㊁醋酸铵和硫酸铵ꎬ以上三种产物对应的标准摩尔生成焓分别为-314 43㊁-518 52和-1180 85kJ/molꎬ37第3期㊀㊀㊀崔㊀勇等:锰源对合成尖晶石锰酸锂的影响及电化学性能分析由于氯化铵的标准摩尔生成焓最大ꎬ氯离子在溶液中存在时ꎬ更易结合铵根离子ꎬ使沉淀更为完全ꎬ制备的锰酸锂粉末晶格参数最小ꎬ在充放电时有利于Li+的扩散ꎬ因此使用氯化锰作为锰源时制备的锰酸锂正极材料性能最佳ꎮ表2㊀锰酸锂正极材料在0 2C下充放电循环50次的放电性能数据Table2㊀Performancedataoflithiummanganatecathodematerialsat0 2Cfor50charge/dischargecycles锰酸锂放电容量/(mAh g-1)第1次第50次容量保持率/%LMO ̄C108 9106 297 4LMO ̄A105 098 293 5LMO ̄S95 589 994 12.4㊀锰酸锂的交流阻抗分析为研究不同锰源对锰酸锂电化学性能的影响ꎬ进行了循环伏安分析ꎮ不同锰源制备的锰酸锂正极材料50次充放电循环后循环伏安(CV)曲线如图7所示ꎮ图7㊀锰酸锂正极材料50次充放电循环后的循环伏安曲线Fig.7㊀CVoflithiummanganatecathodematerialsafter50charge/dischargecycles㊀㊀由图7可见ꎬ不同锰源制备正极材料的CV曲线都有两对氧化还原峰ꎬ表明发生了两个氧化还原反应ꎬ对应Li+的脱出与嵌入ꎬ与图中的两个充放电平台相呼应ꎮ两对氧化还原峰之间的峰值电位差(ΔEP)反映了电池的极化程度ꎬ峰值电流强度反映了电化学反应的强度ꎬ由图7可知ꎬLMO ̄C的峰值电位差弱于LMO ̄A与LMO ̄Sꎬ而其相应的峰值电流强度却远大于LMO ̄A与LMO ̄Sꎮ在三者的循环伏安分析中ꎬLMO ̄C的ΔEP1和ΔEP2分别为362mV与337mVꎬ明显小于LMO ̄A与LMO ̄S的ΔEP1与ΔEP2ꎮ表明在充放电过程中LMO ̄C具有较好的电化学反应活性及较小的极化反应ꎬ拥有更好的电化学性能ꎮ图8为氯化锰作锰源合成正极材料首次(LMO ̄CF)和50次(LMO ̄C50)充放电后的循环伏安曲线ꎮ图8㊀氯化锰合成锰酸锂正极材料首次和50次充放电后的循环伏安曲线Fig.8㊀CVoffirstand50thcyclesoflithiummanganatecathodematerialssynthesizedfrommanganesechloride㊀㊀由图8可知ꎬ合成的材料都存在两个氧化还原峰ꎬ对应着正极材料的充放电过程ꎮLMO ̄CF的峰值电位差ΔEp1为241mVꎬ明显小于LMO ̄C50的ΔEp1ꎬ说明在充放电过程中ꎬLMO ̄C正极材料发生较为严重的极化反应ꎬ与此同时ꎬLMO ̄CF的峰值电流强度也远大于LMO ̄C50ꎬ表明充放电过程中ꎬ材料不仅发生了极化反应ꎬ同时材料结构也发生了一定的变形ꎬ从而导致材料的电化学反应活性降低ꎮ不同锰源制备的锰酸锂正极材料在相同条件下测试的交流阻抗(EIS)图谱如图9所示ꎬ拟合关系如图10所示ꎬ图中ω为测试时的角频率ꎮ图9㊀锰酸锂正极材料的EIS图谱和等效电路图Fig.9㊀EISprofilesoflithiummanganatecathodematerials47沈㊀阳㊀理㊀工㊀大㊀学㊀学㊀报㊀㊀第43卷图10㊀锰酸锂正极材料EIS图的拟合关系图Fig.10㊀FittedrelationshipsofEISprofilesforlithiummanganatecathodematerials㊀㊀图9中每个样品的阻抗谱均由一个高频区的半圆和一条低频区的斜线组成ꎬEIS图谱中ꎬ高频区的半圆表示电极表面和电解液界面的双电层电容(CPE)和电荷转移电阻(Rct)ꎬ低频的斜线代表Li+在电解液中的传输阻力ꎬ也称为Warburg阻抗(Zw)ꎮ图10的拟合直线显示了三种样品Warburg阻抗的变化趋势ꎮ拟合方程为Zᶄ=Rs+Rct+σ ω-/2(1)式中:Rs为电池初始内阻ꎻσ为Warburg阻抗比例系数ꎮ锰酸锂正极材料的奈奎斯特图参数见表3所示ꎮ表中DLi+为Li+扩散系数ꎬ其计算式为DLi+=R2T22A2n4F4C2σ2(2)式中:R为气体常数ꎻT为测试时的温度ꎻA为电解液与电极接触面积ꎻn为反应转移电子数ꎻF为法拉第常数ꎻC为LiMn2O4正极材料中Li+的浓度ꎮ表3㊀锰酸锂正极材料的奈奎斯特图参数Table3㊀Nyquistdiagramparametersoflithiummanganatecathodematerials锰酸锂Rs/ΩRct/ΩσDLi+/(cm2 s-1)LMO ̄C9 20267 4257 721 998ˑ10-14LMO ̄A10 43113 999 356 710ˑ10-16LMO ̄S6 421162 688 298 496ˑ10-16㊀㊀由表3可知ꎬLMO ̄A和LMO ̄S的Warburg阻抗比例系数相差不大ꎬLi+扩散系数也相差不大ꎬ且远高于LMO ̄Cꎮ而LMO ̄C有着较小的Warburg阻抗比例系数和较大的Li+扩散速率ꎬ意味着Li+在充电过程中能更快速ꎬ在放电过程中Li+的扩散阻力更小ꎬ自产热更少ꎮ3㊀结论以不同锰源为原料ꎬ采用共沉淀法制备锰酸锂正极材料ꎬ对其进行了XRD㊁SEM分析ꎮ探讨不同锰源对锰酸锂电化学性能的影响ꎬ结论如下ꎮ1)氯化锰作锰源合成的锰酸锂具有优良的形貌结构和电化学性能ꎬ首次放电容量为108 9mAh/gꎬ50次充放电循环后的放电容量为106 2mAh/gꎬ容量保持率为97 4%ꎮ2)在循环阻抗测试中ꎬ氯化锰作锰源合成的正极材料具有最小的极化程度和最快的Li+扩散速率ꎮ3)在三种不同锰源中ꎬ氯化锰是用沉淀法合成锰酸锂的最佳锰源ꎮ参考文献(References):[1]㊀BERGHꎬZACKRISSONM.Perspectivesonenvironmentalandcostassessmentoflithiummetalnegativeelectrodesine ̄lectricvehicletractionbatteries[J].JournalofPowerSourcesꎬ2019ꎬ415:83-90.[2]㊀GOODENOUGHJB.Electrochemicalenergystorageinasustainablemodernsociety[J].Energy&EnvironmentalSci ̄enceꎬ2014ꎬ7(1):14-18.[3]㊀CHANGCCꎬLEEKYꎬLEEHYꎬetal.TrimethylborateandtriphenylborateaselectrolyteadditivesforLiFePO4cath ̄odewithenhancedhightemperatureperformance[J].JournalofPowerSourcesꎬ2012ꎬ217:524-529.[4]㊀THIRUPATHYJꎬARCHANAT.Dielectricandthermaltrans ̄portpropertiesoflithiummanganate(LiMn2O4)foruseine ̄lectricalstoragedevices[J].ECSJournalofSolidStateSci ̄enceandTechnologyꎬ2021ꎬ10(11):113002.[5]㊀REZVANISJꎬPARMARRꎬMARONIFꎬetal.DoesaluminacoatingalterthesolidpermeableinterphasedynamicsinLiMn2O4cathodes?[J].TheJournalofPhysicalChemistryCꎬ2020ꎬ124(49):26670-26677.[6]㊀LIUSNꎬLUSꎬFUYYꎬetal.In ̄situmeasurementoftheheatgenerationofLiFePO4andLi(Ni1/3Co1/3Mn1/3)O2bat ̄teries[J].JournalofPowerSourcesꎬ2023ꎬ574(1):233187.[7]㊀GONGCXꎬLVWXꎬQULMꎬetal.Synthesesandelectro ̄chemicalpropertiesoflayeredLi0.95Na0.05Ni1/3Co1/3Mn1/3O2andLiNi1/3Co1/3Mn1/3O2[J].JournalofPowerSourcesꎬ2014ꎬ247:151-155.[8]㊀高虹ꎬ李学田.LiCo0.7Ni0.3O2超薄电极的制备[J].沈阳理工大学学报ꎬ2022ꎬ41(4):42-48.GAOHꎬLIXT.Preparationofultra ̄thinLiCo0.7Ni0.3O2electrode[J].JournalofShenyangLigongUniversityꎬ2022ꎬ41(4):42-48.(inChinese)[9]㊀JINGXHꎬWUZNꎬZHAODDꎬetal.Environmentallyfriendlyextractionandrecoveryofcobaltfromsimulatedso ̄lutionofspentternarylithiumbatteriesusingthenovelionicliquidsof[C8H17NH2][J].ACSSustainableChemistry&Engineeringꎬ2021ꎬ9(6):2475-2485.(下转第89页)57第3期㊀㊀㊀崔㊀勇等:锰源对合成尖晶石锰酸锂的影响及电化学性能分析参考文献(References):[1]㊀范习民ꎬ陈剑ꎬ宋萍ꎬ等.基于系统工程原理的汽车NVH正向设计流程[J].农业装备与车辆工程ꎬ2007ꎬ45(7):3-5.FANXMꎬCHENJꎬSONGPꎬetal.OrdinaldesignflowofautomobileNVHbasedonsystemprinciple[J].AgriculturalEquipment&VehicleEngineeringꎬ2007ꎬ45(7):3-5.(inChinese)[2]㊀YAHAYARASHIDASꎬRAMLIRꎬMOHAMEDHARISSꎬetal.Improvingthedynamiccharacteristicsofbody ̄in ̄whitestructureusingstructuraloptimization[J].TheScientificWorldJournalꎬ2014ꎬ2014:190214.[3]㊀RAKHMATOVRIꎬKRUTOLAPOVVE.Developmentofvehiclenoise ̄vibration ̄harshnessanalysiscalculationmethodinordertoimproveNVHcharacteristics[J].IOPConferenceSeries:EarthandEnvironmentalScienceꎬ2021ꎬ867(1):012106.[4]㊀唐公明ꎬ陈德博ꎬ耿磊ꎬ等.基于车身悬置动刚度的车内降噪研究[J].汽车零部件ꎬ2023(4):42-45.TANGGMꎬCHENDBꎬGENGLꎬetal.Researchoninteriornoisereductionbasedondynamicstiffnessofcabsuspension[J].AutomobilePartsꎬ2023(4):42-45.(inChinese) [5]㊀娄万里ꎬ王霄ꎬ刘会霞ꎬ等.微型客车白车身接附点动刚度优化分析[J].机械设计与制造ꎬ2014(1):217-219.LOUWLꎬWANGXꎬLIUHXꎬetal.TheIPIoptimizationa ̄nalysisofminibusBIW[J].MachineryDesign&Manufac ̄tureꎬ2014(1):217-219.(inChinese)[6]㊀刘杰昌ꎬ刘忠伟ꎬ张群ꎬ等.针对某SUV车型的发动机悬置优化[J].汽车实用技术ꎬ2021ꎬ46(21):76-80.LIUJCꎬLIUZWꎬZHANGQꎬetal.OptimizationanalysisofdynamicstiffnessofaSUVbodyinwhite[J].AutomobileAppliedTechnologyꎬ2021ꎬ46(21):76-80.(inChinese) [7]㊀赖坤城ꎬ赵津ꎬ刘东杰ꎬ等.某轿车车身关键连接点动刚度分析及优化设计[J].科学技术与工程ꎬ2019ꎬ19(36):337-342.LAIKCꎬZHAOJꎬLIUDJꎬetal.Dynamicstiffnessanalysisandoptimizationdesignofkeyjointsofacarbody[J].Sci ̄enceTechnologyandEngineeringꎬ2019ꎬ19(36):337-342.(inChinese)[8]㊀郑利洋.某乘用车车身系统NVH性能的分析[D].秦皇岛:燕山大学ꎬ2017.[9]㊀周舟ꎬ周建文ꎬ姚凌云ꎬ等.整车NVH性能开发中的CAE技术综述[J].汽车工程学报ꎬ2011ꎬ1(4):175-184.ZHOUZꎬZHOUJWꎬYAOLYꎬetal.OverviewofCAEtechnologyusedinvehicleNVHperformancedevelopment[J].ChineseJournalofAutomotiveEngineeringꎬ2011ꎬ1(4):175-184.(inChinese)[10]王跃星ꎬ孙润ꎬ李康康ꎬ等.某皮卡车整车模态分析[J].汽车实用技术ꎬ2017(18):179-181.WANGYXꎬSUNRꎬLIKKꎬetal.Modalanalysisonthepickuptrucks[J].AutomobileAppliedTechnologyꎬ2017(18):179-181.(inChinese)[11]赵敬ꎬ苏辰ꎬ刘鹏ꎬ等.汽车悬置支架动刚度对车身NVH性能影响的分析[J].汽车工程师ꎬ2019(5):50-51ꎬ59.ZHAOJꎬSUCꎬLIUPꎬetal.AnalysisofinfluenceofdynamicstiffnessofvehiclesuspensionbracketonNVHperformanceofvehiclebody[J].AutomotiveEngineerꎬ2019(5):50-51ꎬ59.(inChinese)[12]刘洋ꎬ劳兵ꎬ焦兰ꎬ等.车身接附点动刚度后处理方法对比[J].汽车实用技术ꎬ2022ꎬ47(15):139-144.LIUYꎬLAOBꎬJIAOLꎬetal.Comparisonofbodyattachmentdynamicstiffnesspost ̄processingmethod[J].AutomobileAppliedTechnologyꎬ2022ꎬ47(15):139-144.(inChinese) [13]王宇ꎬ潘鹏ꎬ辛丕海.动刚度分析在车身NVH性能方面的研究与应用[J].农业装备与车辆工程ꎬ2016ꎬ54(4):34-38.WANGYꎬPANPꎬXINPH.Researchandapplicationofdy ̄namicstiffnessanalysisonNVHperformanceofvehiclebody[J].AgriculturalEquipment&VehicleEngineeringꎬ2016ꎬ54(4):34-38.(inChinese)[14]葛磊ꎬ胡淼ꎬ孙后青.某轿车前副车架动刚度性能研究[J].新技术新工艺ꎬ2021(3):67-69.GELꎬHUMꎬSUNHQ.Researchondynamicstiffnessper ̄formanceofacarfrontauxiliaryframe[J].NewTechnology&NewProcessꎬ2021(3):67-69.(inChinese)[15]王书贤ꎬ薛栋ꎬ陈世淋ꎬ等.基于HyperMesh的某轿车白车身模态和刚度分析[J].重庆理工大学学报(自然科学)ꎬ2019ꎬ33(7):50-57.WANGSXꎬXUEDꎬCHENSLꎬetal.Modalandstiffnessa ̄nalysisofacar sbody ̄in ̄whitebasedonHyperMesh[J].JournalofChongqingUniversityofTechnology(NaturalSci ̄ence)ꎬ2019ꎬ33(7):50-57.(inChinese)(责任编辑:宋颖韬)(上接第75页)[10]TANJHꎬCHENGZYꎬZHANGJXꎬetal.Nucleation ̄oxida ̄tioncoupledtechnologyforhigh ̄nickelternarycathoderecy ̄clingofspentlithium ̄ionbatteries[J].SeparationandPurifi ̄cationTechnologyꎬ2022ꎬ298:121569.[11]WANGLꎬFRISELLAKꎬSRIMUKPꎬetal.Electrochemicallithiumrecoverywithlithiumironphosphate:whatcausesper ̄formancedegradationandhowcanweimprovethestability?[J].SustainableEnergy&Fuelsꎬ2021ꎬ5(12):3124-3133. [12]WANGJJꎬSUNXL.OlivineLiFePO4:theremainingchal ̄lengesforfutureenergystorage[J].Energy&EnvironmentalScienceꎬ2015ꎬ8(4):1110-1138.[13]ZHANGYꎬALARCOJAꎬNERKARJYꎬetal.ImprovingtheratecapabilityofLiFePO4electrodebycontrollingparticlesizedistribution[J].JournaloftheElectrochemicalSocietyꎬ2019ꎬ166(16):A4128-A4135.[14]RAGAVENDRANKꎬXIAHꎬMANDALPꎬetal.Jahn ̄TellereffectinLiMn2O4:influenceonchargeorderingꎬmagnetore ̄sistanceandbatteryperformance[J].PhysicalChemistryChemicalPhysicsꎬ2017ꎬ19(3):2073-2077.[15]CHUNGKYꎬRYUCWꎬKIMKB.OnsetmechanismofJahn ̄Tellerdistortionin4VLiMn2O4anditssuppressionbyLiM0.05Mn1.95O4(M=CoꎬNi)coating[J].JournaloftheElectrochemicalSocietyꎬ2005ꎬ152(4):A791-A795. [16]VERHOEVENVWJꎬMULDERFMꎬDESCHEPPERIM.InfluenceofMnbyLisubstitutionontheJahn ̄Tellerdistor ̄tioninLiMn2O4[J].PhysicaB:CondensedMatterꎬ2000ꎬ276/278:950-951.(责任编辑:徐淑姣)98第3期㊀㊀㊀岳峰丽等:车身模态及接附点动刚度分析。
尖晶石型锰酸锂的制备方法专利技术综述报告作者:陈丽琴来源:《科技视界》 2015年第29期尖晶石型锰酸锂的制备方法专利技术综述报告陈丽琴(国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心,江苏苏州 215000)[摘要]尖晶石型锰酸锂(LiMn2O4)能量密度高、成本低、无污染、安全性好、资源丰富,是最有发展潜力的锂离子电池正极材料之一。
尖晶石型锰酸锂的制备方法很多,主要有液相法和固相法,本文主要针对近年来涉及该产品的制备方法的中外专利技术进行收集和分析,梳理了尖晶石型锰酸锂制备方法的发展脉络。
[关键词]尖晶石;锰酸锂;固相;液相The Patent Technology Review Report of Preparation Method of Spinel Lithium ManganateCHEN Li-qin(Jiangsu Center for patent review of the Patent Office of the StateIntellectual Property Office, Sipo Suzhou Jiangsu 215000)[Abstract]Spinel lithium manganate (LiMn2O4) which has high energy density, low cost, no pollution, good safety, rich in resources, is one of the most development potential of lithium ion battery cathode material. The preparation methods ofspinel lithium manganate are many, mainly with liquid phase method and solid phase method, this article mainly aims at in recent years relating to the preparation of the product patent technology to collect and analyze both at home and abroad, combing the spinel lithium manganate’s preparation methods of development.[Key words]Spinel; Lithium manganate; Solid phase; Liquid phase0概述尖晶石LixMn2O4是具有Fd3m 空间群的立方晶系,其中氧原子面心立方密堆积(CCP) ,锂在CCP 堆积的四面体位置(8a) , 锰离子处于16晶格(16d) ,其中四面体晶格8a ,48f 和八面体晶格16c共面而构成互通的三维离子通道,锂离子能够在这种结构中自由脱出和嵌入。
二氧化锰制备的锰酸锂结构一、锰酸锂的概述锰酸锂(LiMn2O4,简称LMO)是一种锂离子电池的正极材料,具有高能量密度、环境友好和循环寿命长等优点。
近年来,锰酸锂在我国得到了广泛的研究和应用,特别是在电动汽车、储能和电子产品等领域。
二、二氧化锰制备锰酸锂的方法1.化学法:将二氧化锰(MnO2)与锂盐(如碳酸锂)混合,通过高温固相反应合成锰酸锂。
此方法具有原料成本低、工艺简单等优点,但反应过程中容易产生杂质。
2.溶胶-凝胶法:以二氧化锰为原料,与锂盐、有机物和碱共同搅拌形成溶胶,再经过干燥、烧结等步骤得到锰酸锂。
此方法具有结构均匀、纯度高等优点,但制备过程较复杂,成本较高。
3.水热法:将二氧化锰与锂盐混合,通过水热反应合成锰酸锂。
此方法具有环保、能耗低等优点,但产量较低,适用于实验室研究。
三、锰酸锂的结构特点1.尖晶石结构:锰酸锂具有尖晶石结构(AB2O4型),其中A为锂离子,B为锰离子。
尖晶石结构具有良好的离子传导性能和电子传导性能,有利于锂离子电池的高性能。
2.层状结构:锰酸锂还可以通过层状结构(LiMnO2)形式存在。
这种结构具有较高的理论比容量,但实际应用中容易发生结构坍塌,导致电池性能下降。
四、锰酸锂的应用领域1.电动汽车:锰酸锂作为锂离子电池的正极材料,具有较高的能量密度和环境友好性,是电动汽车的理想选择。
2.储能:锰酸锂储能系统具有优异的循环寿命和安全性,适用于大规模储能项目。
3.电子产品:锰酸锂电池具有较高的电压和容量,可用于手机、平板电脑等电子产品。
五、总结二氧化锰制备的锰酸锂具有良好的性能,在我国得到了广泛关注。
通过不同的制备方法,可以获得具有不同结构和性能的锰酸锂。
然而,锰酸锂在实际应用中仍存在一些问题,如结构稳定性、锂离子扩散速率和循环性能等,需要进一步研究优化。
锰源对合成尖晶石锰酸锂的影响及电化学性能分析
崔勇;唐啸虎;邵忠财;邵鸿媚;张伟;李学田;董华
【期刊名称】《沈阳理工大学学报》
【年(卷),期】2024(43)3
【摘要】使用不同金属锰源(醋酸锰,硫酸锰,氯化锰)为原料,合成具有尖晶石结构的锂离子电池正极材料锰酸锂。
首先采用共沉淀法合成锰酸锂前驱体,然后采用空气中热处理手段制备锰酸锂正极材料。
通过X射线衍射、扫描电镜对合成材料的结构、形貌及组成进行分析,结果表明三种锰源制备的锰酸锂正极材料均具有尖晶石结构。
采用电化学方法测试合成材料组装的锂离子电池充放电性能,结果显示氯化锰、醋酸锰及硫酸锰制备的锰酸锂正极材料分别具有108.9、104.4和95.5 mAh/g的放电比容量,表明使用氯化锰作为锰源制备的锰酸锂正极材料具有最佳的电化学放电性能,在经历50次充放电循环之后,锰酸锂正极材料仍然具有97.4%的容量。
【总页数】7页(P70-75)
【作者】崔勇;唐啸虎;邵忠财;邵鸿媚;张伟;李学田;董华
【作者单位】沈阳理工大学环境与化学工程学院;西北工业集团有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TM912
【相关文献】
1.不同锰源对尖晶石型锰酸锂性能影响的研究
2.尖晶石锰酸锂的柠檬酸辅助溶胶-凝胶法合成及电化学表征
3.四氧化三锰制备尖晶石锰酸锂及电化学性能研究
4.不同锰源对尖晶石锰酸锂循环性能的影响
5.尖晶石型锰酸锂正极材料
LiNi0.01Co0.03Mn1.96O4的合成及电化学性能
因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。