In het tijdperk van snelle technologische ontwikkeling zijn batterijen, als belangrijkste energiebron voor talloze elektronische apparaten en nieuwe energiesystemen, van directe invloed op de breedte en diepte van technologische toepassingen. Binnen de grote familie van batterijmaterialen komt LiMn2O4-poeder geleidelijk aan in de belangstelling te staan.
Basiskenmerken vanLiMn2O4-poeder
LiMn2O4-poeder, wiMet de Chinese naam lithiummanganaat verschijnt het meestal als een zwartgrijs poeder en behoort het tot een spinelachtige structuur met een unieke kristalconfiguratie. Vanuit kristallografisch perspectief is het een typisch ionisch kristal met zowel normale als inverse configuraties. Het normale spinel LiMn2O4-poeder heeft een kubische kristalstructuur met Fd3m-symmetrie. De eenheidscelconstante a = 0,8245 nm en het eenheidscelvolume V = 0,5609 nm³. Zuurstofionen bevinden zich in een vlakgecentreerde kubische dichtgepakte opstelling, lithium neemt 1/8 van de tetraëdrische interstitiële posities van zuurstof in en mangaan neemt 1/2 van de octaëdrische interstitiële posities van zuurstof in. Het eenheidsrooster bevat 56 atomen, waarvan Mn³⁺ en Mn⁴⁺ elk 50% uitmaken. Deze speciale structuur biedt een driedimensionaal kanaal voor de diffusie van lithiumionen, dat wordt gevormd door de coplanaire rangschikking van het tetraëdrische rooster 8a, 48f en het octaëdrische rooster 16c, waardoor lithiumionen reversibel in het spinelrooster kunnen worden ingevoegd en daaruit kunnen worden verwijderd, wat een belangrijke theoretische basis vormt voor het gebruik ervan als kathodemateriaal voor batterijen.
Theoretisch kan de specifieke capaciteit van LiMn2O4-poeder 148 mAh/g bereiken, wat een zeker potentieel voor energieopslag biedt. In praktische toepassingen worden de prestaties echter door een aantal factoren beperkt. Zo zijn de cyclusprestaties relatief slecht en is de batterijcapaciteit gevoelig voor demping na meerdere laad- en ontlaadcycli; bovendien is de elektrochemische stabiliteit niet goed, vooral in omgevingen met hoge temperaturen, wat dit tekort nog duidelijker aantoont. Deze problemen hebben de grootschalige industriële toepassing van LiMn2O4 tot op zekere hoogte beperkt.
Toepassingsgebieden van LiMn2O4-poeder
Ondanks enkele prestatietekortkomingen biedt LiMn2O4-poeder nog steeds een sterk toepassingspotentieel in vele sectoren, dankzij de unieke voordelen. Momenteel is het belangrijkste toepassingsgebied het kathodemateriaal van lithium-ionbatterijen voor draagbare elektronische apparaten. In mobiele telefoons, laptops en andere apparaten die we dagelijks gebruiken, bieden de batterijkathodes van LiMn2O4-poeder onmisbare stroomvoorziening voor een stabiele werking.
Naast draagbare elektronische apparaten, LiMn2O4 poederWordt ook veel gebruikt in elektrisch gereedschap. Elektrisch gereedschap zoals elektrische schroevendraaiers en boormachines vereist accu's die goed presteren bij hoge stroomontlading. De goede laad-ontladingsprestaties bij hoge stroomsterkte van LiMn2O4 voldoen aan de vraag van elektrisch gereedschap naar een direct hoog vermogen, waardoor het gereedschap efficiënt en stabiel kan werken.
In sommige kostengevoelige sectoren, zoals elektrische voertuigen met lage snelheid, biedt LiMn2O4 ook voordelen. Vergeleken met andere batterijkathodematerialen is LiMn2O4 rijk aan grondstoffen en goedkoop, waardoor elektrische voertuigen met lage snelheid meer mogelijkheden hebben voor kostenbeheersing. Tegelijkertijd biedt de relatief goede veiligheid een zekere garantie voor de rijveiligheid van de voertuigen.
Bereidingsmethoden voor LiMn2O4-poeder
Om hoogwaardig LiMn2O4-poeder te verkrijgen, hebben onderzoekers en ingenieurs diverse bereidingsmethoden ontwikkeld. De vaste-stofsynthese bij hoge temperatuur is daar een van. Deze methode is relatief eenvoudig te gebruiken en gemakkelijk te realiseren voor grootschalige industriële productie. Het basisprincipe is om grondstoffen die lithium- en mangaanbronnen bevatten in een bepaalde verhouding gelijkmatig te mengen en vervolgens een vaste-stofreactie bij hoge temperatuur uit te voeren om LiMn2O4-poeder te synthetiseren. Deze methode heeft echter ook enkele nadelen, zoals de hoge vereiste reactietemperatuur, wat leidt tot een hoog energieverbruik; bovendien zijn de gesynthetiseerde materiaaldeeltjes vaak groot, met een slechte uniformiteit, en ten slotte is de specifieke energie van het materiaal laag.
Naast de vaste-toestandsynthesemethode met hoge temperatuur zijn er ook de smelt-impregnatiemethode, de microgolfsynthesemethode, de sol-gelmethode, de emulsiedroogmethode, de co-precipitatiemethode, de Pechini-methode en de hydrothermische synthesemethode, enz. De Pechini-methode als voorbeeld nemend, verbetert deze methode het traditionele proces door de precursor tijdens het syntheseproces voor te ontsteken, waardoor de uniformiteit van LiMn2O4-poeder effectief wordt verbeterd. Met de toename van het EG-gehalte (ethyleenglycol) wordt de uniformiteit van het poeder verbeterd, wordt het specifieke oppervlak vergroot en worden de cyclusprestaties ook verbeterd. De monsters die 4 uur lang bij 800 ℃ zijn gecalcineerd, hebben respectievelijk een specifieke laad-ontlaadcapaciteit van 130,7 mAh/g en 126,7 mAh/g. Verschillende bereidingsmethoden hebben hun eigen voor- en nadelen. In praktische toepassingen is het noodzakelijk om een geschikt bereidingsproces te kiezen op basis van specifieke behoeften en productieomstandigheden.
Ontwikkelingsperspectief van LiMn2O4-poeder
Gezien de problemen met de cyclusprestaties en elektrochemische stabiliteit van LiMn2O4, zijn onderzoekers actief op zoek naar oplossingen. Enerzijds kan oppervlaktemodificatietechnologie de oplosbaarheid van mangaan en de afbraak van elektrolyt effectief remmen, waardoor de stabiliteit van het materiaal wordt verbeterd. Anderzijds kan doping van specifieke elementen het Jahn-Teller-effect tijdens het laden en ontladen remmen, waardoor de prestaties van het materiaal verder worden verbeterd. De combinatie van oppervlaktemodificatie en dopingtechnologie zal naar verwachting in de toekomst een belangrijke onderzoeksrichting worden om de elektrochemische prestaties van spinel LiMn2O4 te verbeteren.
Vanuit marktperspectief heeft de batterij-industrie, met de aanhoudende groei van de wereldwijde vraag naar nieuwe energie, ongekende ontwikkelingsmogelijkheden gecreëerd. LiMn2O4, met zijn voordelen van overvloedige grondstoffen en lage kosten, zal naar verwachting een groter aandeel in de toekomstige markt voor batterijmaterialen innemen. Vooral in toepassingsscenario's met hoge eisen aan kosten en veiligheid zal LiMn2O4-poeder, na prestatie-optimalisatie, een sterkere concurrentiepositie hebben. Bijvoorbeeld op het gebied van grootschalige energieopslag, als de bestaande problemen kunnen worden opgelost, zal LiMn2O4 een efficiënte, economische en veilige batterijmateriaaloptie bieden voor energieopslagsystemen.
Als batterijmateriaal met een aanzienlijk potentieel, zal LiMn2O4-poeder, hoewel het momenteel met enkele uitdagingen kampt, door de voortdurende vooruitgang en innovatie van de technologie, de prestaties ervan continu verbeteren en de toepassingsgebieden verder uitbreiden. Verwacht wordt dat het in de toekomst een belangrijkere rol zal spelen in de ontwikkeling van de batterij-industrie. Bijdragen aan de bevordering van de technologische vooruitgang en de energietransitie.
