尖晶石型錳系氧化物的合成及超級(jí)電容性能研究.pdf

1、超級(jí)電容器是一種介于電池和傳統(tǒng)電容器之間的新型儲(chǔ)能器件，具有高功率、高能量密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命和對(duì)環(huán)境無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。本文研究了錳系尖晶石型電極材料(LiMn2O4和λ—MnO2)，其具有三維離子通道，鋰離子可以可逆地從尖晶石晶格中脫嵌，具有能量密度高、循環(huán)性能穩(wěn)定、可進(jìn)行大電流放電、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。因此對(duì)于尖晶石型錳系電極材料的超級(jí)電容性能研究，將使電化學(xué)超級(jí)電容器的發(fā)展前景更加廣闊。 主要采用操作簡(jiǎn)單、易于工業(yè)化生產(chǎn)的高溫固相法制

2、備LiMn2O4電極材料。利用X射線衍射(X—ray Diffraction XRD)，掃描電子顯微鏡(Scanningelectron micrograph SEM)以及各種電化學(xué)性能測(cè)試方法研究了合成原料、煅燒溫度、煅燒時(shí)間、反應(yīng)物配比等對(duì)LiMn2O4的結(jié)構(gòu)和電容性能的影響，發(fā)現(xiàn)采用固相合成法制備尖晶石LiMn2O4時(shí)，Li2CO3和電解二氧化錳(EMD)是最優(yōu)的鋰源和錳源。在800℃下燒制4h，產(chǎn)物的晶型結(jié)構(gòu)已較完整，進(jìn)一步延長(zhǎng)

3、煅燒時(shí)間對(duì)性能影響不大。Li/Mn摩爾比為1.08/2時(shí)所制材料具有較高放電容量。偏離該數(shù)值后，所制材料放電容量均會(huì)下降。 將LiMn204與稀酸作用得到λ—MnO2，其仍然保持了尖晶石的面心立方點(diǎn)陣，研究了LiMn2O4和λ—MnO2在不同電解液中的電化學(xué)性能。在(NH4)2SO4溶液中，LiMn2O4和λ—MnO2電極在電位窗口0～1.0V(vs SCE)范圍內(nèi)時(shí)具有較好的電容行為。電解液的濃度對(duì)電容性能也有影響，濃度越高，

4、比容量也越高，并對(duì)LiMn2O4在中性電解液中產(chǎn)生電容的機(jī)理進(jìn)行了初步探討。 制備了不同LiMn2O4含量的LiMn2O4/C和LiMn2O4/MnO2復(fù)合材料，研究了其在Li2SO4溶液中的電化學(xué)性能，復(fù)合活性碳后的電極材料的伏安行為既體現(xiàn)有雙電層的電容行為，又有法拉第電容行為，含80％活性炭的LiMn2O4/C復(fù)合電極容量達(dá)到最大，復(fù)合了20％LiMn2O4的LiMn2O4/MnO2電極材料的比容量為151F·g-1，比Mn

5、02電極增加了22％，更適合用作超級(jí)電容器電極材料。這些特性表明復(fù)合電極材料是比較理想的超級(jí)電容器材料。 分析了尖晶石型化合物L(fēng)iMn2O4的晶格結(jié)構(gòu)，比較了八面體場(chǎng)中可供摻雜的金屬離子價(jià)電子組態(tài)的穩(wěn)定性及摻雜金屬離子對(duì)LiMn2O4晶體場(chǎng)穩(wěn)定化能的影響，為摻雜金屬離子的選擇提供了理論指導(dǎo)。XRD和SEM研究結(jié)果表明，在研究范圍內(nèi)摻入Al，Co，Ni，Zn和Ti后，LiM0.1Mn1.9O4仍為單一的正尖晶石相結(jié)構(gòu)。電化學(xué)性能研

6、究發(fā)現(xiàn)：摻雜適量的Al，Co，Ni，Zn，Ti后，能提高LiMn2O4電極的放電比容量，改善電極材料的循環(huán)性能，使其真正具有實(shí)用價(jià)值。 制備了不同電極材料的混合超級(jí)電容器。采用LiMn2O4和AC組成混合超級(jí)電容器時(shí)，在Li2SO4水溶液中比在(NH4)2SO4水溶液具有更好的電容性能，其工作電壓可達(dá)1.8V。當(dāng)電流密度為2mA·cm-2時(shí)，其比容量、能量密度分別為62.3F·g-1和28.0Wh·kg-1。采用LiAl0．1

7、Mn1.9O4代替LiMn2O4與AC組成混合超級(jí)電容器時(shí)，當(dāng)電流密度大于10mA·cm-2時(shí)，具有較LiMn2O4高的比容量和能量密度。所以Al摻雜后的電極材料更適合大電流充放電，更具有實(shí)用性。首次將λ—MnO2用作混合超級(jí)電容器電極材料，λ—MnO2/Li2SO4/AC混合超級(jí)電容器的工作電位可高達(dá)2.2V，其具有較大的功率密度和能量密度，具有較好的電容性能。λ—MnO2用作混合超級(jí)電容器電極材料的研究，為拓展λ—MnO2的用途提供