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微波液相无焰燃烧法超快制备尖晶石型锰酸锂①

更新时间:2016-07-05

1 前言

近几年锂离子电池在便携式、娱乐、计算以及通信设备、电动汽车、混合动力汽车等领域迅速发展,因具有比容量高、工作电压高、携带方便、环境友好及无记忆效应等其他电池无可比拟的优势迅速占领了绝大部分市场[1-3]。尖晶石锰酸锂正极材料因具有储量资源丰富、环境友好、价格低廉、良好的热稳定性、适宜的充放电平台等优点,仍然被认为是最有发展前景的锂离子电池正极材料[4]

目前已报道多种尖晶石型锰酸锂的合成方法,主要有高温固相法[5]、熔融浸渍法[6]、固相燃烧合成法[7]、溶胶凝胶法[8]、共沉淀法[9]、以及水热合成法[10]等。高温固相法制备工艺简单、成本低、产量大,但能耗高、耗时长。本课题组首次提出了液相无焰燃烧法制备尖晶石型锰酸锂材料,具有高温固相法的优点且制备时间可缩短到几个小时内[11-14]。本文在液相无焰燃烧法基础上,将马弗炉加热方式更换成微波加热方式,微波加热速度快且均匀,能够实现快速合成。我们在720W微波加热条件下,5分钟就能合成出尖晶石型锰酸锂材料。

第四,不断开拓农业市场。就以往市场经济的发展而言,部分没有品牌的农产品市场销路较窄。如果扩大农产品的生产规模,形成规模效应,就可以在很大程度上提高农产品销量。

提供全球统一标准的高品质产品和服务是博泽的宗旨。除了服务本地市场,太仓新工厂还将为博泽北美、欧洲地区提供生产和技术支持。此外,太仓新工厂在设计建造过程中严格按照博泽全球工厂的质量标准进行,在绿色环保和节能减排方面也遵照最高标准设计。

2 实验

2.1 微波液相无焰燃烧法超快制备尖晶石型锰酸锂

以LiNO3(AR,99.9%,aladin)、Mn(AC)2·4H2O(AR,99%,aladin)为原料,按n(Li)∶n(Mn)=1∶2、目标产物3g分别称取两种原料并放于坩埚中,并外加浓硝酸(AR,成都市科龙化工试剂厂)至将坩埚放于105℃鼓风干燥箱中加热15min,使原料充分溶解并混合均匀;然后将坩埚放入微波炉中(G90F25CN3LV-Q6,格兰仕)设置微波功率为720w加热5min取出,得到黑色蓬松、多孔状产物。

2.2 材料表征

采用X射线衍射仪(D8 ADVANCE,BRUKER),Cu Kɑ,操作电压为40kV,电流为40mA,2θ角的范围是10°~70°,步长为0.02°,扫描速率为4°/min对样品晶体结构进行表征;利用扫描电子显微镜(Nova 450,FEI公司)操作电压5KV,对合成样品进行了显微结构表征。

2.3 电化学性能测试

电池正极片的制备,以适量NMP(N-甲基吡咯烷酮)作为分散剂,将微波制备LiMn2O4活性物质、炭黑和 PVDF(聚偏氟乙烯)按质量比8∶1∶1混合,在行星式球磨机中球磨30分钟,调成浆状后,涂覆在铝箔上,在80 ℃鼓风干燥箱中干燥4 h后,进行切片,再120℃真空干燥12h最终得到正极片。以金属锂片为负极,Celgard2320聚丙烯多孔膜为隔膜,电解液为1mol·L-1 LiPF6 /EC+DMC+EMC(体积比1∶1∶1)。在充满氩气的手套箱中将正极片、隔膜与金属锂片组装成CR2025型扣式电池。电池静置24h后在室温条件下利用蓝电测试系统(CT2001A,武汉市蓝电电子有限公司)进行恒流充放电测试。充电电压为3.0V~4.5V之间,恒电流充放电的电流密度为1C(1C=148 mAh/g)。电池的循环伏安曲线(CV)在电化学工作站(CHI660E,上海辰华仪器有限公司)上进行测试,电压范围为3.6V~4.5V之间,扫描速率为0.1mV/s。

除此之外,教师还习惯利用表情传递信息。表情是情绪主观体验的外部表现形式,通常人的表情有三种:面部表情、语调表情和身体姿态表情。教师经常通过面部表情和语调表情的呈现和变化来传递不同的信息和情绪,因为情绪有感染力,所以处在交往中的双方很容易被对方的情绪影响,被带动或抑制做某事。同理在教学中,目光聚焦、表情丰富、语调抑扬顿挫的教师更能引起学生的兴趣,使之保持良好的学习状态,而目光呆滞、表情单一、语调平淡无奇的教师往往让学生感到无趣,导致学生学习状态不佳。

3 实验结果与讨论

3.1 X射线物相分析 (XRD)

图1 微波无焰燃烧法超快制备尖晶石型锰酸锂材料的XRD谱图 Fig.1 XRD spectrogram of ultrafast preparation of spinel lithium manganate by microwave flameless combustion

表1 微波超快制备LiMn2O4样品与LiMn2O4 PDF标卡JCPDS No.35-0782各衍射峰强度 Tab.1 Ultrafast microwave preparation of LiMn2O4 samples and PDFJCPDS No.35-0782 card of LiMn2O4 with each diffraction peak intensity

hklJCPDSNo.35-0782I(%)微波超快制备样品I(%)IJCPDSNo.35-0782(%)-I微波(%)(111)(311)100.038.0100.029.908.1(222)(400)(331)(511)(440)(531)10.033.07.010.016.07.08.227.95.88.313.46.61.85.11.21.72.60.4

[2] Lee M J, Lee S, Oh P, et al. High performance LiMn2O4 cathode materials grown with epitaxial layered nanostructure for Li-ion batteries[J]. Nano Letters, 2014, 14(2):993-999.

3.2 场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)分析

图2 微波无焰燃烧法超快制备尖晶石型锰酸锂材料的SEM图 Fig.2 SEM diagram of ultrafast preparation of spinel lithium manganate by microwave flameless combustion

图2为微波样品的FE-SEM图。从图中可以看出,该样品为多面晶体结构,菱角分明,晶面清晰,但很多晶面都长在了一起;晶粒大小一般在1μm左右,也存在非常细小的晶粒。由于微波无焰燃烧反应速度快,晶粒生长很快致使晶粒碰到一起。在燃烧反应过程中有二氧化碳和水等大量气体产生,产物蓬起,一些晶粒在生长过程中没有物质传递到晶粒表面,晶粒生长被迫终止,而形成细小晶粒。

[1] Xin Y, Wang X, Ju B, et al. Effective enhancement of electrochemical performance for spherical spinel LiMn2O4, via Li ion conductive Li2ZrO3, coating[J]. Electrochimica Acta, 2014, 134(21):143-149.

3.3 电化学性能分析

3.3.1 循环性能分析

图3 微波无焰燃烧法超快制备尖晶石型锰酸锂材料与锂片组成电池的循环性能图,插图为充放电曲线图 Fig.3 The cycle performance diagram of the spinel type lithium manganese dioxide and lithium chips is prepared by microwave flameless combustion method. The illustration is the curve diagram of charge-discharge.

图3为微波制备样品1C下充放电循环100次的循环性能图。从图可知,该微波制备的样品首次放电比容量为119.3mAh/g,100次充放电循环后放电仍然能够放出89.2mAh/g的容量,即容量保持率达到74.8%。该微波制备LiMn2O4样品的(111)晶面是更加择优生长的(见上面XRD数据),我们知道(111)晶面在电池充放电过程中更容易发生Mn溶解,所以容量衰减较快[16]。从库伦效率曲线上看出该材料的放电库伦效率接近100%,保持在99%左右;但是前三次的库伦效率偏低,第一次的最低,仅为97%,应该是由形成稳定的SEI膜过程所致。从充放电曲线上在3.85V~4.25V区间内可发现了两个电压平台,这与尖晶石型锰酸锂的λ-MnO2到Li0.5Mn2O4和Li0.5Mn2O4到LiMn2O4放电过程相一致[17]。佐证了我们微波合成出的材料为尖晶石型锰酸锂。

图4 微波无焰燃烧法超快制备尖晶石型锰酸锂材料的循环伏安曲线,扫描速率:0.1mV/s Fig.4 The cyclic volt ampere curve of spinel lithium manganese dioxide which is prepared by microwave flameless combustion method, the scanning rate: 0.1mV/s

以微波制备的尖晶石型锰酸锂和锂片组成的纽扣电池,静置24h后进行循环伏安测试,结果见图4所示。从图中可以看出微波制备样品大约在4.1V/3.85V和4.25V/4.00V处均呈现了两对氧化还原峰,表明Li+在4V区域内可逆的脱嵌和嵌入过程,对应于图4的两个明显的电压平台。

4 结论

本文以液相无焰燃烧法为基础,利用微波进行加热5min便成功合成尖晶石型锰酸锂材料。XRD数据表明该材料合成过程为热力学的,表现出更强的(111)晶面生长过程。由于时间短,单个晶粒大小可以控制1μm以内,但是晶粒易于生长在一起。该材料1C下恒流充放电条件下能够放出119.3mAh/g(首次),89.2mAh/g(100次循环)。

5 致谢

[3] Stiaszny B, Ziegler J C, Krauß E E, et al. Electrochemical characterization and post-mortem analysis of aged LiMn2O4-Li(Ni0.5Mn0.3Co0.2)O2 /graphite lithium ion batteries. Part I:Cycle aging[J]. Journal of Power Sources, 2014, 251(21):439-450.

参考文献

2) MD/CD结构在2 m/s、4 m/s、6 m/s低速冲击有限元模拟结果表明,最大接触力随着波纹夹冲击速度的增加而升高,冲头与波纹夹芯结构之间的接触时间随着冲击速度的增加而缩短;随着冲击速度增加,上层面板和夹芯吸收能量所占比例不断降低,其他部分吸收的能量比例则不断提高。

图1为微波无焰燃烧法超快制备样品的XRD谱图。由图可以看出微波超快制备LiMn2O4样品的八个衍射峰位置与LiMn2O4标准谱图(JCPDS,No.35-0782)的(111)、(311)、(222)、(400)、(331)、(511)、(440)、(531)八个特征衍射峰位置相一致,对应立方晶系Fd3m空间群,Li离子处于四面体的8a位置,Mn离子处于八面体的16d位置,O离子处于八面体的32e位置[15]。这表明通过微波无焰燃烧法超快合成了的尖晶石型锰酸锂材料。以最强峰(111)晶面的衍射峰峰强为一对其它衍射峰进行归一化处理,并与PDF标卡JCPDS N0.35-0782各衍射峰进行比较,结果如表1所示。由表可知微波超快制备样品的各衍射峰的峰强都降低了。反过来说,(111)晶面的衍射峰升高,即是,微波超快合成的锰酸锂材料具有(111)晶面的更择优取向。因为(111)晶面是热力学稳定的,所以可以认为微波超快合成是热力学控制过程,而不是动力学控制过程。第三强峰(400)也是热力学稳定晶面,所以从表中也可以看出,改晶面的衍射峰也相对提高了。

感谢国家自然科学基金(51561032)和国家自然科学基金( 51462036)提供的资金支持。

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酸奶压缩试验可用于对酸奶的质构进行量化分析,试验主要选择黄精酸奶的稠度和硬度进行分析,根据闫序东等人[10]的方法稍作修改。采用A/BE型反挤压圆盘探头活塞压缩容器中样品达到一定高度后再回到初始位置。测试参数设置:A/BE型圆盘探头,盘径35 mm,测试前速度1.0 mm/s,测试速率1.0 mm/s,测试后速率10.0 mm/s,测试距离30 mm,触变力10 g。

以结果P<0.05定义为有显著性差异,用均数±标准差表示计量资料并行t检验,用%表示计数资料并行x2检验,所有数据皆经SPSS 19.0软件进行处理。

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其次,在对内镜下诊断非炎症性肠病大肠溃疡患者病因分布及临床表现、其他各项临床检查结果等对比显示,非炎症性肠病大肠溃疡患者的各种临床表现中,其中盗汗在肠结核患者病症诊断中具有特异性、腹部包块与肛门指诊在大肠癌诊断中具有指导性意义外,而便血以及腹痛、体质量降低等变化,对其疾病诊断无明显特异性;此外,大肠癌以及吻合口溃疡患者内镜下诊断中最容易判断,其中,单发大溃疡主要以大肠癌患者为主,而多发小溃疡、环形溃疡情况主要以肠结核患者为主。

依据淋巴结有无转移进行亚组分析发现,PCa盆腔淋巴结转移与PSA水平、Gleason评分、PI-RADS评分、临床分期、胞膜、精囊侵犯和PLAGL2 表达水平有关联(表2)。表3示,PLAGL2表达水平和Gleason评分是PCa淋巴结转移的独立危险因素。

[15] Fang D L, Li J C, Liu X, et al. Synthesis of a Co-Ni doped LiMn2O4, spinel cathode material for high-power Li-ion batteries by a sol-gel mediated solid-state route[J]. Journal of Alloys & Compounds, 2015, 640:82-89.

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田亮,温碧霞,苏长伟,郭俊明
《电池工业》 2018年第01期
《电池工业》2018年第01期文献

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