遗态法制备多级多孔LiMn2O4纳米片及其储锂性能研究

Spinel LiMn2O4 is a promising cathode materials for power battery because of its intrinsic advantages of high abundance, low cost, environmental compatibility. However, the application of spinel materials is hampered by problems of serious capacity decay and poor rate capability. Templated from the sugar cane bagasse--sugar industry waste, hierarchical porous LiMn2O4 nanosheets will be fabricated by biomorphic synthesis method in this project. Due to the unique structure of hierarchical porous LiMn2O4 nanosheets, manganese dissolution will be decreased greatly and the Jahn-Teller effect will be alleviated and the diffusion distance of Li ion will be lowed. Furthermore, the electrochemical performance of the as-prepared LiMn2O4 will be enhanced greatly by coated and doped treatment. The effect of sugar cane bagasse on the physical and electrochemical properties of hierarchical porous LiMn2O4 nanosheets will be investigated systematically. The relationship between inner/outer surface area of the activated materials and the cycle life of the electrode will be deeply studied. This will lay a good foundation for the development and application of the cathode materials for lithium ion battery. Furthermore, this will provide a new approach to effective utilization of manganese resource and sugar cane bagasse--a large quantities of waste material of sugar industry in Guangxi province.

尖晶石锰酸锂（LiMn2O4）因资源丰富、价格低廉、环境友好而成为有应用前景的锂离子动力电池正极材料，但LiMn2O4仍存在容量衰减严重及倍率性较低的缺陷。本项目拟以制糖工业废弃物甘蔗渣为模板，采用遗态法制备多级多孔LiMn2O4纳米片。多级多孔LiMn2O4纳米片独特的结构不仅缩短了反应过程中锂离子的扩散距离、又极大地抑制了锰的溶解及缓冲了姜泰勒效应的危害，有望最大限度地提高LiMn2O4的电化学性能；阐明合成过程中甘蔗渣模板对多级多孔LiMn2O4纳米片的形成及对其电化学性能的影响机制；揭示活性物质内/外表面积与其循环稳定性的关系；为锂离子动力电池正极材料的发展，也为广西丰富的锰资源及大量甘蔗渣这一制糖工业废弃物的高效利用提供新的思路与方法。

多级多孔材料由于其良好的电化学性能而在储能领域有着广泛的应用。模板法是制备多级多孔材料的一种重要方法。相对于常见的人工合成的模板，使用天然生物模板来制备遗态材料，可以精确地复制生物经过几千年近化所拥有的精细的结构，从而获得传统材料制备方法不可比拟的精妙的分级、有序的遗态材料，最终有着良好的使用性能。项目执行期间重点开展了遗态法制备多级多孔过渡金属氧化物材料，并将之应用于储能领域。.1、采用广西区常见的农业废弃物－甘蔗渣为模板制备了各类金属氧化物纳米片。如通过简单的遗态法制备的多级多孔LiMn2O4，在1C倍率下有138mAh/g高的比容量，在10C倍率下，1000次循环之后有92%的容量保持率，在60℃高温下，200次循环之后仍然有86.7%的容量保持率。多级多孔纳米片兼具有纳米材料与微米材料的优点，它在厚度上纳米级可以减小电化学反应过程中，电子/离子的传输距离，从而提高它的倍率性，但整体微米尺寸相比于单纯的纳米粉又有不易于团聚的优点；多孔结构易于缓冲电极材料的体积膨胀，有利于提高它的循环寿命；它们相对较大的比表面积提供了丰富的反应活性点，从而有相对较大的比容量。因此电极材料展现了较好的电化学性能。.2、我们努力把这一方法发展成为一种制备多级多孔过渡金属氧化物纳米片的通用方法，如我们还采用这一方法制备了Na2/3MnO2、MnCo2O4、Na2/3Fe1/2Mn1/2O2、Na2/3Mg0.2Mn0.8O2、Na2/3Fe0.5Mg0.1Mn0.4O2、Co3O4、CoFe2O4、NiMoO4、NiO、NiFe2O4、ZnFe2O4和ZnMn2O4等多级多孔纳米片，被把它们应用于超级电容器、锂/钠离子电池电极材料。.3、采用天然棉花为模板制备了多级多孔管状金属氧化物电极材料，如ZnMn2O4、Co3O4及Na0.44MnO2等。.4、本项目还通过对甘蔗渣的微观形貌进行研究，希望能揭示甘蔗渣基本组织对所合成遗态材料形貌、结构、孔隙率及孔径分布的影响。.本项目的研究结果对于进一步发展先进的遗态材料，及提高电极材料的电化学性能提供了科学的依据与支持。