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超分子结构层状锂锰氧化物的组装及其电化学性能研究

路艳罗  
【摘要】:本论文针对锂离子电池正极材料层状锂锰氧化物结构不稳定的缺点,根据超分子层状结构材料的主客体可调控性特征,分别采用离子交换法、水滑石前体法、水热法等对其进行主体层板调控和客体调控,制备了一系列锂锰氧化物插层组装材料。采用XRD、HT-XRD、ICP、XPS、TG-DTA、TG-MS、EXAFS、TEM和SEM等手段对其进行了详细表征;通过恒流充放电循环、循环伏安等方法对其电化学性能进行了研究,并探讨了影响其结构稳定性和电化学性能的因素。 层状LiMnO_2具有单斜结构,C2/m空间群,SEM表明其具有棒状形貌。由于其结构不稳定,充放电过程中容易发生畸变,Mn由层板迁移至层间,占据Li~+的嵌入位置,并阻塞其扩散通道,导致其电化学循环性能较差。 通过主体层板调控,制备了一系列O2结构Li[Mn_(1-x)M_x]O_2(M=Li、Cr、Mg、Al、Fe)和O3结构Li[Co_xNi_yMn_(1-x-y)]O_2。O2结构Li[Mn_(1-x)M_x]O_2具有不规则的六方层状形貌,掺杂元素基本能够均匀分布在层板上,充放电过程中保持主客体有序排列,抑制结构畸变,提高电化学循环性能,掺杂一定量的Al对电池的可逆容量影响不大,同时可以有效抑制容量的衰减,对提高电化学性能有利,作为锂离子电池正极材料性能较好。O3结构Li[Co_xNi_yMn_(1-x-y)]O_2材料具有α-NaFeO_2层状结构,层间距为0.47nm左右。随着Co含量增大嵌锂量增加,而Ni含量增大嵌锂量降低。Ni最容易在表面相稳定存在,Mn次之,而Co易于在体相稳定存在。过渡金属元素在层板上局域结构相似,M—O键长平均化。通过调控主体层板组成,可以提高层板稳定性,抑制过渡金属向层间迁移。当Co/Ni/Mn摩尔比为1/1/1时,主客体排列高度有序,材料首次放电比容量达到118.1mAh·g~(-1),循环过程中容量衰减缓慢。随着Co含量增加,材料的可逆比容量有所提高。 对层状锰氧化物进行插层组装,得到M-MnO_2(M=Ba、Sr、ZrO)。与前驱体K_xMnO_2相比,M-MnO_2晶体结构没有变化。MnO_2层板存在Mn缺陷位,柱撑


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