当今,环境和能源问题日益严重,锂离子电池作为绿色新型能源得以迅速发展。在诸多锂离子电池正极材料中,尖晶石型LiMn2O4因具有原料来源丰富、高工作电压、高安全性、无毒等一系列的优势成为一种非常有潜力的材料。然而其循环性能和倍率性能还不是很理想,限制了其在实际中的进一步应用,尤其是在电动汽车以及混合电动汽车中的应用。
本文采用高温固相反应法合成了尖晶石型LiMn2O4材料,并考察了煅烧温度和时间的影响。结果表明,在830℃、煅烧12h合成的LiMn2O4具有较好的结晶度;在0.05C倍率下的首次放电比容量达到126mAh·g-1,首次库伦效率约为82.4%;在0.1C倍率下的首次放电比容量可以达到120mAh·g-1,循环100次后,容量保持率约为70.5%。倍率性能测试结果表明:样品在20C循环后再在1C条件下的放电比容量为111mAh·g-1,容量恢复率约为97.4%,具有出色的可逆性。
本文采用溶胶-凝胶法制备了La0.7Sr0.3Mn0.7Co0.3O3包覆的LiMn2O4正极材料。当包覆量为3wt.%时,样品的电化学性能最好,其在1C/10C的充放电条件下循环100次后,放电容量仍有101mAh·g-1,相应的容量保持率约为93.5%;且其大倍率性能也得到明显改善,在30C下的放电比容量约为74.3mAh·g-1,远高于未包覆样品的47.2mAh·g-1。XRD和XPS的表征结果确认了包覆物La0.7Sr0.3Mn0.7Co0.3O3的存在,但其没有影响LiMn2O4正极材料的晶体结构。充放电循环前后的TEM表征结果表明,包覆层La0.7Sr0.3Mn0.7Co0.3O3材料在循环过程中晶体结构稳定,可以有效地保护LiMn2O4免受电解液的侵蚀。交流阻抗和循环伏安测量结果表明,包覆层La0.7Sr0.3Mn0.7Co0.3O3有助于改善LiMn2O4电极反应动力学。
本文还制备了LaMnO3、La0.7Sr0.3MnO3和LaMn0.7Co0.3O3包覆的LiMn2O4正极材料。在0.5C/0.5C充放电条件下,未包覆的LiMn2O4和LaMnO3包覆的LiMn2O4的首次放电比容量依次为106mAh·g-1和114mAh·g-1,首次库仑效率依次为89.1%和95.0%。在10C/10C充放电条件下,未包覆的LiMn2O4、LaMnO3包覆的LiMn2O4、La0.7Sr0.3MnO3包覆的LiMn2O4和LaMn0.7Co0.3O3包覆的LiMn2O4的放电比容量依次为53.6mAh·g-1、90.6mAh·g-1、93.0mAh·g-1和95.6mAh·g-1。该结果表明钙钛矿型氧化物包覆均可以不同程度的改善LiMn2O4的电化学性能。