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层状LiMnO2的理论容量高(285mAh·g-1),被认为是电动汽车动力型电池备选的正极材料之一。因此,从比容量的角度考虑,系统研究层状正交LiMnO2正极材料的结构与性能,具有很好的应用意义。
本文以实验室自制的三氧化二锰(Mn2O3)、氢氧化锂(LiOH·H2O)为原料,采用水热法制备层状LiMnO2材料,研究不同LiOH浓度对产物LiMnO2粒径分布的影响,结果表明:通过调节LiOH浓度,可以控制LiMnO2粒径,在最佳LiOH浓度下合成的样品平均粒径约为7.424μm,且粒径分布均匀;实验考察了不同煅烧温度对样品的结构和电化学性能的影响,得出最佳煅烧温度为700℃。用XRD表征LiMnO2结构,表明水热法制备的样品具有很好的正交晶系结构,煅烧后的样品,会出现少量杂质峰。充放电测试结果表明:煅烧处理可以明显提高产物LiMnO2的循环性能。实验采用循环伏安法研究层状LiMnO2在充放电循环中的物相变化,表明样品在充放电过程中会由正交结构变成尖晶石结构,产生Jahn-Teller效应。
针对LiMnO2材料在充放电循环产生Jalan-Teller效应使电池容量衰减的问题,选取V5+、Ti4+和Zn2+,对层状LiMnO2材料进行掺杂改性研究。通过XRD、SEM、充放电测试、循环伏安法和交流阻抗法测试材料的结构与电化学性能。结果表明:少量金属离子掺杂不改变LiMnO2材料的晶体结构。相比于未掺杂的样品,掺杂V5+能够改善材料的循环性能,提高Li+的扩散系数;掺杂Ti4+不仅能够提高材料的放电比容量(LiMnO2和LiMn0.98Ti0.02O2的最大放电比容量分别是151.35mAh·g-1,184.52 mAh·g-1),而且能够增加材料的容量保持率(20次充放电循环后,LiMnO2和LiMn0.98Ti0.02O2的容量保持率分别是81.42％,93.7％);掺杂Zn2+对材料的电化学性能有一定的改善。在三种金属离子各最佳掺杂量下,对样品进行充放电测试,结果表明掺杂Ti4+效果最好。
对掺杂2％Ti4+的样品LiMn0.98Ti0.0202表面进行MgO包覆处理,以减少正极材料与电解液的接触,降低Mn的溶解,并对包覆后的材料进行循环性能测试。结果表明:与未包覆的样品相比,包覆后的材料的放电容量有所下降,但是却能够减缓容量衰减速率,尤其在后期循环中,效果更加明显。
在LiMnO2粉末的表面包覆Cu粉,以降低电池的极化作用,减少锰的溶解。结果表明:包覆Cu粉能够稳定正极材料的结构,提高LiMnO2电极的可逆性,改善电池的循环性能。