LiNi0.05Mn1.95O4的合成及其对Li+的离子交换热力学

以乙酸锂、乙酸锰和乙酸镍为原料,采用溶胶-凝胶法合成出掺镍的尖晶石型锂锰氧化物LiNi0.05Mn1.95O4.用0.5 mol·L-1的过硫酸铵对其进行酸改性后制得锂离子筛(记作LiNiMn-H).经测定LiNi0.05Mn1.95O4在酸改性过程中Mn2+的溶出率仅为0.31%(w,质量分数),LiNiMn-H对锂离子的饱和交换容量达5.29 mmol(36.72 mg)Li+/g离子筛.测定了15、25、35、45℃LiNiMn-H在H+-Li+体系吸附锂的离子交换等温线,并利用Pitzer电解质溶液理论计算出该离子交换体系的活度系数,得到H+-Li+交换的平衡常数Ka,△Gm、△Hm,和△Sm等热力学参数.结果表明,Ka随温度的升高而降低,LiNiMn-H对Li+的选择性大于原来可交换阳离子(H+)的选择性,吸附锂的过程是自发过程(△Gm＜0),该离子交换反应是放热反应.     

LiNi0.05Mn1.95O4的合成及其对Li+的离子交换热力学

以乙酸锂、乙酸锰和乙酸镍为原料, 采用溶胶-凝胶法合成出掺镍的尖晶石型锂锰氧化物LiNi0.05Mn1.95O4. 用0.5 mol·L-1的过硫酸铵对其进行酸改性后制得锂离子筛(记作LiNiMn-H). 经测定LiNi0.05Mn1.95O4在酸改性过程中Mn2+的溶出率仅为0.31%(w, 质量分数), LiNiMn-H对锂离子的饱和交换容量达5.29 mmol (36.72 mg) Li+/g 离子筛. 测定了15、25、35、45 ℃ LiNiMn-H 在H+-Li+体系吸附锂的离子交换等温线, 并利用Pitzer 电解质溶液理论计算出该离子交换体系的活度系数, 得到H+-Li+交换的平衡常数Ka, △Gm、△Hm和△Sm等热力学参数. 结果表明, Ka随温度的升高而降低, LiNiMn-H对Li+的选择性大于原来可交换阳离子(H+)的选择性, 吸附锂的过程是自发过程(△Gm<0), 该离子交换反应是放热反应.     

Li4Ti5Ol2的合成及对Li+的离子交换动力学

用溶胶-凝胶法合成出Li4Ti5Ol2, 对其进行了酸改性, 制得锂离子筛IE-H. 测定了IE-H对Li+、Na+的饱和交换容量和pH滴定曲线等离子交换性能, 并对其进行了X射线衍射分析, 同时采用中断接触法判断该离子交换反应的控制机理, 用缩核模型描述离子筛IE-H交换Li+的动力学. 结果表明, 合成出的Li4Ti5Ol2和锂离子筛IE-H均为尖晶石结构; 用不同浓度HNO3溶液处理Li4Ti5Ol2时, Li+的抽出率为19.6%-81.5%, Ti4+的抽出率在4.2%以下; 锂离子筛IE-H 对Li+的饱和交换容量较高, 达到5.95 mmol·g-1, 离子筛IE-H交换Li+的控制步骤是颗粒扩散控制(PDC), 得到了25 ℃, Li+浓度为20.0 mmol·L-1和5.0 mmol·L-1时锂离子筛交换Li+的动力学方程和颗粒扩散系数.     

三维有序大孔锂离子筛的制备及其交换性能研究

由110 nm聚苯乙烯(PS)微球组装晶体胶体模板,并用此模板合成三维有序大孔(3-dimensionally ordered macroporous,3DOM)锂离子筛前驱体Li4Ti5O12,用1.0 mol.L-1的盐酸改型制得锂离子筛H4Ti5O12(LiTi-H)。用XRD、SEM、饱和交换容量、pH滴定曲线等表征了材料的形貌、结构和离子交换性能。同时测定了25℃时LiTi-H在0.05 mol.L-1Li+体系吸附锂的动力学数据,并采用吸附动力学Bangham方程和Elovich方程关联离子筛LiTi-H对Li+的离子交换动力学数据。结果表明:PS胶体晶体模板和3DOMLi4Ti5O12锂离子筛前驱体均排列规则有序,大孔直径约90 nm,Li4Ti5O12为尖晶石结构;3DOM Li4Ti5O12酸稳定性好,锂离子筛LiTi-H对Li+具有较高的选择性,对Li+的饱和交换容量达56.70 mg(Li+).g-1;动力学模型用Elovich模型关联较好,离子筛对Li+的离子交换动力学方程是Q=-26.510 4+11.977 4lnt(25℃)。     

富锂锂锰氧化物的制备及其在溶液中的抽Li+/吸Li+性能

采用柠檬酸配合法合成了系列尖晶石富锂锂锰氧化物Li2O.nMnO2(n=1.75,2.0,2.25,2.5,3.0)。通过X射线衍射(XRD)和酸浸实验发现,350℃合成的Li2O.2.25MnO2具有纯相尖晶石锂锰氧化物结构,且在弱酸性介质中具有较高的锂溶出率和较低的锰溶损率。Li2O.2.25MnO2在酸浸之后转型为锂离子筛。XRD和扫描电子显微镜(SEM)分析发现锂离子筛能够保持尖晶石锂锰氧化物的结构和形貌。吸附实验表明,该锂离子筛在碱性含锂溶液中对Li+具有吸附性能,且吸附容量随着溶液温度和pH值的升高而增大,最高能达到40.14 mg.g-1。通过傅立叶红外光谱(FTIR)研究了锂离子筛的吸附机理,并用Langmuir模型描述了其在LiCl+LiOH溶液中的吸附行为。     

球形PVC-MnO2离子筛的制备及锂吸附性能

本实验室前期所制备的Li4Mn5O12超细粉末在卤水体系中对Li+具有较大的吸附容量和良好的选择性。但由于超细粉体的流动性和渗透性差,无法直接应用于固定床,需对粉末吸附材料进行成型造粒,以便于实际应用。本论文采用聚氯乙烯为粘结剂,制备出粒径约为2.0~3.5 mm的球形PVC-Li4Mn5O12,经盐酸处理后得到球形PVC-MnO2离子筛。并通过扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、静态和动态连续锂吸附实验研究了球形离子筛形貌和锂离子吸附性能。结果表明,球形离子筛对Li+的吸附容量高达5.28 mmol.g-1,在混合溶液中对Li+具有良好的选择性,这对于在盐湖卤水或海水提锂具有重要的实用意义。     

用MnO_2离子筛吸附剂从溶液中提取锂(英文)

研究了MnO2离子筛的制备、表征及其提锂性能。通过控制低温水热合成反应条件制备了4种不同晶相的一维纳米MnO2,进一步用浸渍法制备了Li-Mn-O三元氧化物前驱体,并经酸处理后得到对Li+具有特殊选择性的离子筛。用XRD、吸附等温线、吸附动力学及pH滴定等手段对产物的晶相结构和Li+吸附性能进行了研究。结果表明,SMO-b和SMO-d离子筛的Li+平衡吸附量符合Freundlich吸附等温方程。反应物浓度对MnO2不同晶面的生长速率有不同的影响,但(NH4)2SO4对吸附容量并无提高。吸附速率方程符合一级动力学Lagergren方程。MnO2离子筛Li+的吸附量远远高于Na+。     

纳米MnO2的制备及其电化学性能研究

加入不同浓度的十二烷基磺酸钠表面活性剂(SDS)改变微乳液溶液介质,用苯胺还原高锰酸钾,制备了不同颗粒大小的纳米片状MnO2材料.采用X射线粉末衍射、氮吸附比表面测试和扫描电镜及透射电镜表征观察合成材料.电化学测试表明,0.20 mol·L-1SDS所合成的纳米MnO2比表面约为228.2 m2·g-1,在1mol·L-1Li2SO4电解液中,该电极比电容达到237 F·g-1(0.1 A·g-1),350℃煅烧MnO2电极还可发生可逆Li+嵌脱反应增加其比电容.     

LiZr4(PO4)3的Na/Li及Ag/Li离子交换

研究了LiZr2(PO4)3在水溶液中的Na/Li和Ag/Li离子交换行为.结果表明,LiZr2(PO4)3对Na+和Ag+离子均具有很高的选择性,且对Ag+的选择性高于Na+.LiZr2(PO4)3与Ag+的离子交换反应是通过形成固溶体的形式进行的,而与Na+的离子交换反应则是通过置换进行的.温度升高有利于提高LiZr2(PO4)3上Na/Li和Ag/Li的离子交换反应速度.     

工艺参数对o-LiMnO2相纯度及Li1.6Mn1.6O4合成的影响及作用（英文）

以MnSO4,KMnO4及LiOH为原料,经水热处理后得到LiMnO2,再由固相焙烧得到尖晶石相Li1.6Mn1.6O4,酸洗处理后得到锂离子筛。研究了水热温度,氧气和MnO4-/Mn2+的物质的量之比(nMnO4∶nMn^2+)对所得LiMnO2的组成及相应前驱体Li1.6Mn1.6O4酸处理中Mn溶损率的影响。开路电势测量及化学分析表明,氧气会参与反应。若按照理论氧化剂用量nMonO4∶nMn^2+=1∶4进行水热反应会导致杂质Li2MnO3和LiMn2O4的生成。若控制水热温度为160℃,nMnO4∶nMn^2+=1∶6时可得到纯相正交LiMnO2(o-LiMnO2)。所得离子筛在高镁锂比盐湖卤水中Li+吸附容量可达42.87 mg·g^-1,且对Li+具有优异的选择吸附性并遵循化学吸附过程。经过5个循环后吸附容量保持在37.21 mg·g^-1,锰溶损率降至0.34%。     

Li3PO4表面修饰提高球形LiNi0.5Mn1.5O4正极材料的性能

通过共沉淀法制备了球形LiNi_0.5Mn_1.5O₄@Li₃PO₄复合材料,并采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、红外光谱(FT-IR)、循环伏安(CV)、电化学阻抗谱(EIS)及充放电测试研究了其结构与电化学性能。XRD和SEM表明,Li₃PO₄包覆影响了球形LiNi_0.5Mn_1.5O₄的晶格常数。CV和EIS表明,质量百分数5% Li₃PO₄包覆的LiNi_0.5Mn_1.5O₄具有比纯LiNi_0.5Mn_1.5O₄更高的锂离子嵌脱可逆性,更大的锂离子扩散系数和更小的电荷转移电阻,说明在锂离子扩散过程中,质量百分数5%Li₃PO₄包覆的LiNi_0.5Mn_1.5O₄具有更高的电子电导率。充放电测试表明,原位Li₃PO₄改性提高了材料的电子电导率、电化学活性,进而提高了高倍率放电容量。质量百分数5% Li₃PO₄包覆的LiNi_0.5Mn_1.5O₄提高的电化学性能归因于Li₃PO₄的包覆、纳米颗粒组成球形的粒径引起的高的电子电导率和小的电化学极化。     

Li3PO4表面修饰提高球形LiNi0.5Mn1.5O4正极材料的性能

通过共沉淀法制备了球形LiNi_0.5Mn_1.5O₄@Li₃PO₄复合材料,并采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、红外光谱(FT-IR)、循环伏安(CV)、电化学阻抗谱(EIS)及充放电测试研究了其结构与电化学性能.XRD和SEM表明,Li₃PO₄包覆影响了球形LiNi_0.5Mn_1.5O₄的晶格常数.CV和EIS表明,质量百分数5% Li₃PO₄包覆的LiNi_0.5Mn_1.5O₄具有比纯LiNi_0.5Mn_1.5O₄更高的锂离子嵌脱可逆性,更大的锂离子扩散系数和更小的电荷转移电阻,说明在锂离子扩散过程中,质量百分数5%Li₃PO₄包覆的LiNi_0.5Mn_1.5O₄具有更高的电子电导率.充放电测试表明,原位Li₃PO₄改性提高了材料的电子电导率、电化学活性,进而提高了高倍率放电容量.质量百分数5% Li₃PO₄包覆的LiNi_0.5Mn_1.5O₄提高的电化学性能归因于Li₃PO₄的包覆、纳米颗粒组成球形的粒径引起的高的电子电导率和小的电化学极化.     

锂离子电池镍掺杂尖晶石LiMn2O4正极材料的电子结构

采用密度泛甬平面波赝势方法对LiMn2O4和LiNi0.5Mn1.5O4的几何结构进行了优化,并计算了相应的电子结构.计算的结果表明:在Li 脱嵌前后,LiMn2O4和LiNi0.5Mn1.5O4均为导体,且锂元素主要以离子形式存在于两种材料中,O2p轨道与Mn(Ni)的3d轨道形成了较强的共价键.Li 嵌入导致Mn(Ni)3d轨道的态密度峰发生移动.Ni的掺杂导致Mn(Ni)和O2p轨道的成键作用得以加强,电子在Mn(Ni)3d轨道的填充发生变化,从而提高了电池的充放电电压.     

LiMg0.5Mn1.5O4的合成及对Li+的离子交换选择性

锂及其化合物在航空航天、化工、医药、空调、高能电池和热核反应等方面都有广泛应用，对锂及其化合物的需求与日俱增。我国液体锂资源非常丰富，开发利用其中的锂资源具有重要意义。从盐湖水、地下卤水、盐田母液、油气田水等咸水资源中提取锂的方法有碳酸盐沉淀法、离子交换法、萃取法等。离子     

ZrO2包覆的层状富锂正极材料0.6Li[Li1/3Mn2/3]O2·0.4LiNi5/12Mn5/12Co1/6O2的电化学性能

采用喷雾干燥法合成了富锂层状氧化物正极材料0.6Li[Li_1/3Mn_2/3]O₂·0.4LiNi_5/12Mn_5/12Co_1/6O₂(简称LNMCO),并使用Zr (CH₃COO)₄进行ZrO₂的包覆改性。TEM测试结果显示纳米级的ZrO₂颗粒附着在LNMCO的表面。包覆质量分数为1.5%的ZrO₂包覆样品的首圈库伦效率和放电比容量有着显著提升,在室温下其首圈库伦效率和放电比容量(电流密度：20 mA·g^-1,电压：2.0~4.8 V)分别为87.2%,279.3 mAh·g^-1,而原样则为75.1%,224.1 mAh·g^-1,循环100圈之后,1.5% ZrO₂包覆样品的放电比容量为248.3 mAh·g^-1,容量保持率为88.9%,高于原样的195.9 mAh·g^-1和87.4%。     

固相燃烧法制备去顶角八面体LiZn0.08Al0.01Mn1.91O4正极材料及其电化学性能

通过固相燃烧法快速合成了包含{111}、{100}和{110}晶面的单晶去顶角八面体形貌LiZn_0.08Al_0.01Mn_1.91O₄正极材料。结果表明,Zn-Al共掺促进了尖晶石型LiMn₂O₄材料的晶体发育和晶面择优生长,形成了单晶去顶角八面体形貌晶粒,有效抑制了Jahn-Teller效应,减缓了Mn溶解,增强了其晶体结构稳定性,显著提升了合成材料的电化学性能。LiZn_0.08Al_0.01Mn_1.91O₄在5C和10C下的首次放电比容量分别为92.6和76.5 mAh·g^-1,经过2 000次循环后的容量保持率分别为70.4%和74.8%。即使在15C高倍率下,仍有64.2 mAh·g^-1的首次放电比容量,循环800次后容量保持率达到82.2%。与LiZn_0.08Mn_1.92O₄相比,LiZn_0.08Al_0.01Mn_1.91O₄正极材料具有较大的Li+扩散系数(1.02×10^-11 cm²·s^-1)和较小的表观活化能(25.60 kJ·mol^-1),表明Zn-Al共掺和单晶形貌调控策略能够降低Li+在脱/嵌过程的能垒和增大Li+在电极材料中的扩散速率。     

Lithium extraction/insertion process on cubic Li-Mn-O precursors with different Li/Mn ratio and morphology

The cubic phase LiMn₂O₄ precursors are prepared by high-temperature calcinations (1003 K) of LiOH⋅H₂O and MnO₂ mixture with Li/Mn molar ratio = 0.55. The Li₄Mn₅O₁₂ precursors are synthesized via low-temperature solid-phase reaction (673 K) of LiNO₃ and MnO₂ mixture with Li/Mn molar ratio = 1.0. The ion-sieves counterparts (named SMO-H and SMO-L, respectively) are obtained by the acid treatment of Li-Mn-O precursors. The structure, chemical stability, morphology, ion-exchange property and mechanism of Li-Mn-O precursors and MnO₂ ion-sieve were systematically examined via X-ray diffraction (XRD), high-resolution transmission electron microscopy (HRTEM), selected-area electron diffraction (SAED), Infrared Spectroscopy (IR), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and lithium ion selective adsorption measurements. The result shows the more compact Mn-O lattice makes the Li₄Mn₅O₁₂ spinel more stable after the Li⁺ is extracted. The results of IR and XPS show adsorption process of SMO-H exists ion-exchange between the Li⁺ and protons, and redox reaction, but only exists ion-exchange between the Li⁺ and protons in SMO-L. Agglomeration is well-improved by low calcination temperature and the morphology of the Li₄Mn₅O₁₂ precursor and final MnO₂ ion-sieve are effectively controlled within low-dimensional structure. The maximum pH titration capacity of SMO-L for Li⁺ is 6.76 mmol⋅g⁻¹, but only 3.47 mmol⋅g⁻¹ for SMO-H. The ion-sieve obtained from Li₄Mn₅O₁₂ precursor is promising in the lithium extraction from brine or seawater.     

ZrO_2包覆的层状富锂正极材料0.6Li[Li_(1/3)Mn_(2/3)]O_2·0.4LiNi_(5/12)Mn_(5/12)Co_(1/6)O_2的电化学性能

采用喷雾干燥法合成了富锂层状氧化物正极材料0.6Li[Li_(1/3)Mn_(2/3)]O2·0.4LiNi_(5/12)Mn_(5/12)Co_(1/6)O_2(简称LNMCO),并使用Zr(CH3COO)4进行ZrO_2的包覆改性。TEM测试结果显示纳米级的ZrO_2颗粒附着在LNMCO的表面。包覆质量分数为1.5%的ZrO_2包覆样品的首圈库伦效率和放电比容量有着显著提升,在室温下其首圈库伦效率和放电比容量(电流密度:20 m A·g-1,电压:2.0~4.8 V)分别为87.2%,279.3 m Ah·g-1,而原样则为75.1%,224.1 m Ah·g-1,循环100圈之后,1.5%ZrO_2包覆样品的放电比容量为248.3 m Ah·g-1,容量保持率为88.9%,高于原样的195.9 m Ah·g-1和87.4%。     

Origin of the irreversible plateau (4.5 V) of Li[Li0.182Ni0.182Co0.091Mn0.545]O2 layered material

Layered LiNi_0.4Co_0.2Mn_0.4O₂, Li[Li_0.182Ni_0.182Co_0.091Mn_0.545]O₂, Li[Li_1/3Mn_2/3]O₂ powder materials were prepared by rheological phase method. XRD characterization shows that these samples all have analogous structure to LiCoO₂. Li[Li_0.182Ni_0.182Co_0.091Mn_0.545]O₂ can be considered to be the solid solution of LiNi_0.4Co_0.2Mn_0.4O₂ and Li[Li_1/3Mn_2/3]O₂. Detailed information from XRD, ex situ XPS measurement and electrochemical analysis of these three materials reveals the origin of the irreversible plateau (4.5 V) of Li[Li_0.182Ni_0.182Co_0.091Mn_0.545]O₂ electrode. The irreversible oxidation reaction occurred in the first charging above 4.5 V is ascribed to the contribution of Li[Li_1/3Mn_2/3]O₂ component, which maybe extract Li⁺ from the transition layer in Li[Li_1/3Mn_2/3]O₂ or Li[Li_0.182Ni_0.182Co_0.091Mn_0.545]O₂ through oxygen release. This step also activates Mn⁴⁺ of Li[Li_1/3Mn_2/3]O₂ or Li[Li_0.182Ni_0.182Co_0.091Mn_0.545]O₂, it can be reversibly reduced/oxidized between Mn⁴⁺ and Mn³⁺ in the subsequent cycles.