В эпоху стремительного развития технологий аккумуляторы, являясь основным источником питания для многочисленных электронных устройств и новых энергетических систем, напрямую влияют на широту и глубину технологических применений. Среди обширного семейства материалов для аккумуляторов порошок LiMn2O4 постепенно становится объектом внимания.
Основные характеристикиПорошок LiMn2O4
Порошок LiMn2O4, сй китайское название манганат лития, обычно выглядит как черно-серый порошок и принадлежит к структуре типа шпинели, имеющей уникальную кристаллическую конфигурацию. С кристаллографической точки зрения это типичный ионный кристалл с прямой и обратной конфигурациями. Нормальный порошок шпинели LiMn2O4 имеет кубическую кристаллическую структуру с симметрией Fd3m. Его постоянная элементарной ячейки a = 0,8245 нм, объем элементарной ячейки V = 0,5609 нм³. Ионы кислорода находятся в гранецентрированной кубической плотноупакованной структуре, литий занимает 1/8 кислородных тетраэдрических междоузлий, а марганец занимает 1/2 кислородных октаэдрических междоузлий. Элементарная решетка содержит 56 атомов, среди которых Мн³⁺ и Мн⁴⁺ составляют по 50%. Эта специальная структура обеспечивает трехмерный канал для диффузии ионов лития, образованный копланарным расположением тетраэдрической решетки 8a, 48f и октаэдрической решетки 16c, что позволяет ионам лития обратимо вставляться в решетку шпинели и извлекаться из нее, что является важной теоретической основой для ее использования в качестве материала катода аккумулятора.
Теоретически удельная ёмкость порошка LiMn2O4 может достигать 148 мАч/г, что обеспечивает определённый потенциал для накопления энергии. Однако на практике его эффективность ограничена рядом факторов. Например, его циклическая эффективность относительно низкая, а ёмкость аккумулятора склонна к снижению после нескольких циклов зарядки-разрядки; в то же время его электрохимическая стабильность невысока, особенно в условиях высоких температур, что особенно заметно. Эти проблемы в некоторой степени ограничивают широкомасштабное промышленное применение LiMn2O4.
Области применения порошка LiMn2O4
Несмотря на некоторые недостатки, порошок LiMn2O4, благодаря своим уникальным преимуществам, демонстрирует высокий потенциал применения во многих областях. В настоящее время его наиболее важной областью применения является катодный материал литий-ионных аккумуляторов для портативных электронных устройств. В мобильных телефонах, ноутбуках и других устройствах, которые мы используем ежедневно, катоды аккумуляторов, изготовленные из порошка LiMn2O4, обеспечивают необходимую поддержку питания для стабильной работы устройств.
Помимо портативных электронных устройств, LiMn2O4 пудраТакже широко используется в электроинструментах. Для таких электроинструментов, как электрические отвёртки и электродрели, требуются аккумуляторы с хорошими характеристиками разряда при высоких токах. Благодаря хорошим характеристикам заряда-разряда при высоких токах LiMn2O4 удовлетворяет потребность электроинструментов в мгновенной высокой выходной мощности, обеспечивая эффективную и стабильную работу инструментов.
В некоторых областях, чувствительных к стоимости, например, в тихоходных электромобилях, LiMn2O4 также обладает преимуществами. По сравнению с другими катодными материалами для аккумуляторов, LiMn2O4 обладает обширными ресурсами и низкой стоимостью, что позволяет электромобилям с низкой скоростью давать больше возможностей для контроля стоимости аккумуляторов. В то же время, его относительно высокая безопасность обеспечивает определённую гарантию безопасности вождения.
Методы приготовления порошка LiMn2O4
Чтобы получить высокопроизводительный порошок LiMn2O4, исследователи и инженеры разработали множество методов подготовки. Среди них широко используется метод высокотемпературного твердофазного синтеза. Этот метод относительно прост в эксплуатации и легко реализуется в крупномасштабном промышленном производстве. Его основной принцип заключается в равномерном смешивании исходных материалов, содержащих источники лития и источники марганца, в определенной пропорции, а затем проведении твердофазной реакции при высокой температуре для синтеза порошка LiMn2O4. Однако этот метод также имеет некоторые недостатки, такие как требуемая высокая температура реакции, что приводит к высокому потреблению энергии; кроме того, частицы синтезированного материала часто имеют большой размер, плохую однородность и, в конечном итоге, удельная энергия материала низкая.
В дополнение к методу высокотемпературного твердофазного синтеза существуют также метод пропитки расплава, метод микроволнового синтеза, золь-гель метод, метод сушки эмульсии, метод соосаждения, метод Печини и метод гидротермального синтеза и т. д. Если взять метод Печини в качестве примера, этот метод улучшает традиционный процесс за счет предварительного прокаливания прекурсора во время процесса синтеза, тем самым эффективно улучшая однородность порошка LiMn2O4. С увеличением содержания НАПРИМЕР (этиленгликоля) однородность порошка улучшается, увеличивается удельная площадь поверхности, а также улучшаются характеристики цикла. Образцы, прокаленные при 800 ℃ в течение 4 часов, имеют удельные емкости заряда-разряда 130,7 мАч/г и 126,7 мАч/г соответственно. Различные методы приготовления имеют свои преимущества и недостатки. На практике необходимо выбрать подходящий процесс приготовления в соответствии с конкретными потребностями и условиями производства.
Перспективы развития порошка LiMn2O4
Столкнувшись с проблемами циклируемости и электрохимической стабильности LiMn2O4, исследователи активно ищут решения. С одной стороны, технология модификации поверхности может эффективно подавлять растворение марганца и разложение электролита, тем самым повышая стабильность материала. С другой стороны, легирование специфическими элементами может подавить эффект Яна-Теллера во время заряда и разряда, что дополнительно улучшает характеристики материала. Ожидается, что сочетание модификации поверхности и технологии легирования станет важным направлением исследований для улучшения электрохимических характеристик шпинели LiMn2O4 в будущем.
С точки зрения перспектив рынка, в условиях непрерывного роста мирового спроса на новые источники энергии, аккумуляторная промышленность открыла беспрецедентные возможности для развития. Ожидается, что LiMn2O4, обладающий такими преимуществами, как обилие ресурсов и низкая стоимость, займет большую долю на рынке аккумуляторных материалов будущего. Особенно в условиях применения с высокими требованиями к стоимости и безопасности, порошок LiMn2O4 после оптимизации характеристик будет обладать более высокой конкурентоспособностью. Например, в области крупномасштабного накопления энергии, если существующие проблемы будут решены, LiMn2O4 станет эффективным, экономичным и безопасным вариантом аккумуляторного материала для систем накопления энергии.
Несмотря на то, что порошок LiMn2O4 в настоящее время сталкивается с некоторыми трудностями в использовании в качестве материала для аккумуляторов, его характеристики будут постоянно улучшаться, а области применения будут расширяться. Ожидается, что в будущем он будет играть всё более важную роль в развитии аккумуляторной промышленности. содействовать технологическому прогрессу и преобразованию энергетики.
