● 摘要
锂离子电池具有电池电压高、比容量大、能量密度高、无记忆效应、循环寿命长、环境友好等优点，是目前应用范围最广和最有可能大规模应用于电动汽车的二次电池。正极材料是锂离子电池的关键材料，其性能的好坏不仅直接影响电池的性能，而且对降低电池成本、实现电动汽车产业化具有十分重要的现实意义。本文采用水热联合固相烧结的方法，制备了高性能的LiMn2O4、Li2MnO3及Li2MnO3掺杂改性系列锂离子电池正极材料，考察了这些材料的基本电化学性能及其电池性能，并采用SEM、XRD、CV等实验手段对材料进行了结构表征。 采用水热法制备出羟基氧化锰纳米棒，之后将其作为自模板前驱体，通过固相反应控制温度分别在450 ºC和550 ºC下制备了单晶LiMn2O4棒，利用X射线衍射分析、透射电镜、扫描电镜分析研究了LiMn2O4的结构和物性。通过分析可知，尖晶石LiMn2O4 结晶良好且具有与前驱体相似的棒状形貌，宽300-400 nm长500 nm-5 μm。当作为锂离子电池正极材料时，在450 ºC下制备的LiMn2O4具有较高的首次放电容量123.2 mAh/g（在0.1 C下），并且在500次循环后容量保持在84.0 mAh/g（在10 C下）。甚至在高电流密度40 C下, 材料仍能表现出优秀的放电容量95.2 mAh/g。 应用模板煅烧的方法，将γ-MnOOH 纳米棒作为自模板，制备出单斜晶系的Li2MnO3棒，宽约200nm长约8 μm。随后，通过化学方法分别制备出掺杂Ni和Zr元素的Li2MnO3材料。在电压范围2.0-4.6 V，掺杂Ni元素的Li2MnO3 (0.5Li2MnO3•0.5LiMn0.5Ni0.5O2)正极材料在0.1 C下具有最高的首次放电容量497 mAh/g。尽管掺杂Zr元素后的Li2MnO3 (0.5Li2MnO3•0.5LiMn0.5Zr0.5O2) 放电容量并没有比掺杂前有明显提高，但某种程度上改善了电极循环的稳定性。在分别掺杂Ni和Zr元素后能清楚地观察到电极材料的电压平台。 最后，文章探索了两步法即水热和固相反应相结合，将γ-MnOOH纳米棒作为自模板，制备出Li-Mn-O系化合物，并探索产物之间的相变关系。研究发现随着Li量的增加，产物相结构由立方晶系到单斜晶系的转变。为制备锰酸锂（Li-Mn-O）系正极材料提供了一种简便的制备方法，对锰酸锂正极材料的研究与应用具有重要意义。