層狀錳酸鋰的單元摻雜改性研究

龍琪 奎有發 李亞林(青海鹽湖鎂業公司，青海 格爾木 816000)

本課題以鋰離子電池的正極材料作為研究方向，重點研究開發具有優良電化學性能的單元摻雜的層狀錳酸鋰正極材料，以期通過元素的摻雜提高層狀錳酸鋰在充放電過程中的可逆比容量和循環穩定性。主要對層狀錳酸鋰進行摻雜改性實驗，研究單元摻雜層狀錳酸鋰的制備工藝，并對制得樣品進行XRD、SEM等測試，分析樣品的摻雜效果。

1 實驗部分

1.1 實驗器材

高能球磨機、高壓反應釜、攪拌器、真空干燥箱以及一般化學實驗中常用到的設備，如電子天平、各種玻璃容器。

1.2 實驗方案

本實驗采用水熱法制備層狀Li[MnxMy]O2(M=Cr、S，x+y=1)，其中nLi/nM=4:1，反應溫度為180℃。采用水熱法制備出純的層狀錳酸鋰待用。首先稱取一定量的LiOH?H2O、Mn2O3和Cr2O3(或Na2S?9H2O)，按球料比20:1將藥品倒入球磨罐中進行球磨混料，轉速為160rpm球磨3h。然后將取出的藥品用無水乙醇反復洗滌，直至其pH接近7，將清洗后的樣品放入恒溫干燥箱中，在80℃下干燥2h，干燥后的產物在研缽中進一步研磨，得到Cr3+(或S2-)摻雜的樣品。

2 實驗結果與分析

2.1 層狀LiMnO2摻雜Cr3+的研究

2.1.1 不同Cr3+摻雜比例的研究

圖2.1 不同Cr3+摻雜比例與未摻雜樣品的XRD對比圖

圖2.1、是Cr3+不同摻雜比例、180℃下水熱反應24h制備樣品的XRD圖譜，圖2.1為10%wtCr3+摻雜水熱反應后樣品SEM實驗照片。從圖2.1中可以看出，不同工藝下得到摻雜樣品均為o-LiMnO2。45°、40°和15°分別為o-LiMnO2的三強峰，對應的晶面指數分別為(021)、(111)和(010)。

2.1.2 不同攪拌溫度對水熱反應結果的研究

圖2.2為在不同水熱反應時間下摻雜10%S2-的XRD圖譜。從圖2.2中可以看出，相同水熱溫度和摻雜量下，則隨著水熱時間的延長，衍射峰的強度逐漸下降，偏移量逐漸增大，反應更加完全。同樣在圖2.2中不同水熱反應時間下摻雜5%S2-的反應產物的XRD圖譜中也證明了這一實驗現象。

圖2.2 在不同水熱反應時間下摻雜5%S2-的反應產物結果分析

因此實驗結論表明，同一水熱溫度和摻雜量下，時間越長所得到的產物純度越高、潔凈度更高，制備效果更好。

3 結語

本次實驗對水熱法制備層狀錳酸鋰進行了單元Cr3+和S2-摻雜研究，得出以下結論：

3.1 采用水熱法工藝可以摻雜Cr3+制備LiMnO2。實驗結果表明，Cr3+的摻雜隨著摻雜比例的增加，摻雜現象越明顯。

3.2 水熱合成法可以摻雜S2-進LiMnO2。實驗結果表明，S2-的摻雜隨著時間的增加，摻雜現象越明顯。偏移量隨S2-摻雜比例的增大而逐漸增加，當S2-摻雜比例達到一定量時，隨摻雜比例繼續增大，偏移量不再發生變化，這可能是由于層狀LiMnO2中S2-的摻雜達到飽和。

3.3 利用水熱法用合適的元素及合適的劑量對層狀錳酸鋰進行摻雜制備，能夠穩定其層狀結構。

[1]Park Sang Ho,Sun Yang-Kook.Synthesis and electrochem?ical properties of layered Li[Li0.15Ni（0.275-x/2）AlxMn(0.575-x/2)]O2materials prepared by sol-gelmethod[J].JPower Sources,2003,121:161-165.

[2]Kajiyama A,Takada K,Inada T,et al.Synthesis and elec?trochemical propertiesof LixCo0.5Mn0.5O2[J].Solid State Ionics,2002,149(1-2):39-45.