LiMn2O4单晶纳米管在高功率锂离子电池中的应用

# Single-Crystalline LiMn2O4 Nanotubes Synthesized Via Template-Engaged Reaction as Cathodes for High-Power Lithium Ion Batteries

面对日益短缺的石油能源危机,寻找环境友好、低碳、可持续发展的再生能源是一项亟待研究和解决的任务。作为化学储能的锂离子电池,由于具有高电压、高能量密度、循环寿命长和无记忆效应等优点而得到的广泛研究和发展。

但是,目前商业化的锂离子电池(Lithium Ion Batteries)应用主用集中于低功率产品,对于大功率应用仍面临诸多挑战与问题,如高倍率充放电下表现出较高的极化效应和容量衰减问题。对于正极材料LiMn2O4而言,由于其具有较高的平台电压(4 V)、环保、丰富的锰资源以及相对较低的成本等优点而备受关注。普通微米级的LiMn2O4由于具有较长的锂离子扩散路径而导致较低的倍率性能,从而影响其高功率应用。

近年来,纳米材料的功能化研究已经得到了广泛关注,也被认为是提高高功率电极材料应用的一种行之有效的途径。由于其大大缩短了锂离子扩散长度,减少了高倍率充放电下的极化效应。

浙江大学赵新兵教授所领导的研究小组首次报道了LiMn2O4单晶纳米管(Single Crystalline Nanotube),平均外径600 nm,壁厚200 nm,长度1-4 mm。与其他一维材料相比,管状的一维材料提供了更多的接触面积(管口,内表面和外表面),从而更有利于电解液的渗透与锂离子的扩散。而且,这种中空的管状结构也能够及时的减轻或释放锂离子嵌入/脱嵌(Intercalation/Deintercalation)所带来的结构应力,从而保证其一维结构的电化学循环稳定性。如图所示,高倍率性能测试表明,在10 C(1 C=120 mA/g)电流密度下,该材料能够展现出80 mAh g-1的放电比容量,而且,在5 C电流密度下,1500 恒电流充放电循环后,该材料能够保持初始比容量的70%,表现出了良好的高倍率循环稳定性。更为重要的是,该单晶纳米管表现出了良好的结构稳定性。长时间充放电循环后,表征结果表明,该材料仍保持着良好的管状形貌、高晶型和生长取向。基于该材料优异的电化学性能和高的结构稳定性,其在高功率锂离子电池领域应有较好的应用前景。该研究结果发表在最近出版的Adv. Funct. Mater.第21卷第2期上。

Y. Ding et al., Adv. Funct. Mater., 2011; DOI: 10.1002/adfm.201001448

撰稿:浙江大学材料系