纳米电解二氧化锰及锰酸盐的制备与电化学性能研究

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1、学校代码10530学号201510141358分类号O646密级硕士学位论文纳米电解二氧化锰及锰酸盐的制备与电化学性能研究学位申请人曹珍指导教师肖启振教授学院名称化学学院学科专业化学研究方向物理化学二零一八年五月十六日PreparationandresearchonelectrochemicalpropertiesofNano-electrolyticmanganesedioxideandmanganateCandidateZhenCaoSupervisorProfessorQizhenXiaoCollegeColle

2、geofChemistryProgramChemistrySpecializationPhysicalchemistryDegreeMasterofScienceUniversityXiangtanUniversityDate2018.5.16纳米电解二氧化锰及锰酸盐的制备与电化学性能研究摘要随着电子设备的进步，对高能量密度二次电池的需求也随之增加。锂离子电池相对安全，具有较长的循环寿命，目前已经控制了全球可充电电池市场，广泛应用于便携式电子设备、电动汽车（EVs）、间歇性能源（风能、太阳能等）供能的可再生能源系统、空

3、间技术及国防工业中。目前的商业锂离子电池正极材料（LiCoO2）存在成本高、毒性大和钴矿石资源有限等缺点。取代LiCoO2的最具吸引力的正极材料之一是层状和尖晶石结构的锰氧化物，其成本低廉、无毒、工作电压高，且能提供多种变型[1,2]。近年来，Li/MnO2电池因其能量密度高、工作电压稳定、使用寿命长、环境友好、安全性高等优点，已成为应用最广泛的锂一次电池。电解二氧化锰（EMD）具有高纯、价格低廉及强电化学活性等优点，是Li/MnO2一次电池正极材料的关键组成，对电池性能有决定性影响。最近，研究工作者尝试拓展电解二氧化

4、锰在二次电池中的应用，但因其电导率低、结构不稳定等原因，导致其实际工作过程中的能量输出有限。最近，因不同于便携式电子产品需求的新应用的驱动和对锂储量的担忧，重新激发了对钠离子电池的研究。钠离子电池以更可持续的绿色战略促进替代能源储存技术的发展，减少环境污染，具有巨大的优势和商业前景。本论文通过大量实验工作来电解二氧化锰，以提高其放电比容量和循环性能。如制备介孔结构的纳米电解二氧化锰，以增加活性位点；或与锂盐制备复合物，以提高其电导率和稳定性等。本论文基于电解二氧化锰，制备出一系列纳米级锰氧化物，用作锂离子电池和钠离子电

5、池的正极材料，主要研究内容包括：1.纳米电解二氧化锰锂离子电池电化学性能的研究：制得的EMD1是不规则的纳米颗粒，该法可大规模制备EMD；XRD和TEM测试说明EMD1是互联共生的α∙γ-MnO2；BET测试说明EMD1的BET表面积远大于商业EMD0材料；循环伏安测试说明EMD1在Li/MnO2电池中的电化学反应可逆性好，可在几次循环后完成不可逆相变和电化学活化过程；通过比较商业EMD0和纳米EMD1正极在Li/MnO2电池中的充放电曲线，发现纳米EMD1正极在大电流密度下的首次放电容量和放电平台都高于商业EMD0；

6、通过研究纳米EMD1正极在Li/MnO2二次电池中的循环性能，发现在755mA·g-1的高电流密度下，400次循环后，其容量保持率为65%，循环性能良好；通过研究纳米EMD1正极的倍率性能，发现其在不同电流密度下的容量都相当稳定，没有显著的容量衰减；电化学阻抗谱（EIS）测试发现纳米EMD1正极的电荷转移电阻为142.6Ω。纳米EMD1正极的高表面积、介孔结构和稳定的α·γ-MnO2框架通道，增强了锂离子的迁移，提高其结构稳定性和倍率性能。I纳米电解二氧化锰及锰酸盐的制备与电化学性能研究2.纳米电解二氧化锰钠离子电池电

7、化学性能的研究：EMD2是规则纳米棒构成的刺球状α∙γ-MnO2；BET测试说明EMD2的BET表面积较高，有利于钠离子扩散；通过比较纳米EMD2正极在Li/MnO2电池和Na/MnO2电池中的循环伏安测试，发现纳米EMD2正极在Na/MnO2电池中的电化学反应可逆性不太好；通过比较纳米EMD2正极在Li/MnO2电池和Na/MnO2电池中的充放电曲线，发现其放电平台差约为1V，可逆嵌钠量较低；通过比较纳米EMD2正极在不同电流密度的Na/MnO2电池中的充放电曲线，发现其有两个明显的充电平台和一个不明显的放电平台（除

8、了首次放电）。随着电流密度增加，电压平台愈发不明显，说明纳米EMD2正极具有一定的可充电能力；通过研究纳米EMD2正极在不同电流密度的Na/MnO2电池中的循环性能，发现纳米EMD-22正极在低电流密度下的容量损失大，可逆容量低。但在0.5mA·cm的高电流密度下，第二次放电容量高达123.6mAh∙g-1，且容量衰减不明显，具有