从双金属MOFs到锂离子电池正极材料:合成、表征及电化学性能

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随着当今社会的不断进步和科学技术的快速发展,人们对便捷式电子设备的需求日益增长,进一步推动了可充电固态电池技术的前进。具有高比容量、高效率、长寿命等特点的锂离子电池成为电子消费市场的首选电源,其年产量可达数十亿只。这些电池还有望在可再生能源工厂中作为理想的电化学存储设备,并在混合动力和电动汽车等新能源车辆中发挥重要作用。然而要提高锂离子电池性能以满足人们的储能要求,其所面临的挑战之一就是开发出合适的正极材料。目前层状结构的钴酸锂(LiCoO2)被广泛应用于锂离子电池正极材料中,除此之外,还有其他电极材料如锰酸锂(LiMn2O4)、镍酸锂(LiNiO2)、磷酸铁锂(LiFePO4)和三元材料等。这些材料主要是以高温固相合成法得到,在材料的不同批次和混合均匀度之间存在一定的差异。为了能够合成结构稳定、性能批次均匀的材料,本论文研究了利用双金属MOFs制备锂离子电池正极材料,并对其进行了电化学性能表征。文章内容主要包括以下几个部分:(1)利用溶剂热法合成双金属有机配合物[Li2Mn3(ipa)4(DMF)4]n作为前驱体,经过高温煅烧制备尖晶石型锰酸锂(LiMn2O4)正极材料。通过研究配合物在不同气氛、不同煅烧温度和时间的条件下制备的锰酸锂的电化学性能。分析结果表明,直接在空气气氛下850℃煅烧12 h为最优合成条件,所制备的样品在0.1 C下首次放电比容量为95.7mAh/g,在高倍率1 C下500次循环后容量保持率为89.9%,从而在锂离子电池中表现出较好的充放电比容量和优秀的电化学循环性能。(2)利用同样的方法我们合成双金属有机配合物[Li2Co(ipa)2(EtOH)]n作为前驱体,经过高温煅烧制备层状结构的钴酸锂(LiCoO2)正极材料。合成方法与(1)相同,在不同温度、不同时间以及两种不同合成步骤的煅烧条件中优化调整。对比发现,先在氮气条件下600℃煅烧4 h,然后再在空气中800℃煅烧4 h得到的样品首次放电比容量最高为143.8 mAh/g,同时在高倍率循环下也能拥有较好的循环稳定性,在锂离子电池中表现出良好的放电比容量和较好的倍率循环性能。(3)在前面制备锰酸锂的实验基础上我们加以改进,使用相同的方法合成小分子结构的双金属有机配合物[LiMn(HCO23]n作为前驱体。在空气气氛下不同温度、不同煅烧时间制备了富锂富锰复合电极材料Li2MnO3-LiMn2O4。作为锂离子电池正极材料的活性物质,通过电化学性能测试发现,在空气气氛下850℃煅烧12 h得到的样品首次充放电过程中放电比容量为153.9 mAh/g,在锂离子电池中展现出较高的充放电比容量和良好的倍率循环性能。
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