В ерата на бързото технологично развитие, батериите, като основен източник на енергия за множество електронни устройства и нови енергийни системи, чиято производителност пряко влияе върху широчината и дълбочината на технологичните приложения. Сред голямото семейство материали за батерии, прахът LiMn2O4 постепенно се очертава като фокус на внимание.
Основни характеристики наLiMn2O4 прах
LiMn2O4 прах, сЛитиевият манганат, известен с китайското наименование, обикновено се появява като черно-сив прах и принадлежи към шпинелна структура с уникална кристална конфигурация. От кристалографска гледна точка, той е типичен йонен кристал с нормална и обратна конфигурация. Нормалният шпинел LiMn2O4 прах има кубична кристална структура със симетрия Fd3m. Константата на елементарната му клетка a = 0.8245 нм, обемът на елементарната клетка V = 0.5609 нм³. Кислородните йони са в гранецентрирана кубична плътно опакована подредба, литият заема 1/8 от кислородните тетраедрични интерстициални позиции, а манганът заема 1/2 от кислородните октаедрични интерстициални позиции. Единичната решетка съдържа 56 атома, сред които Минесота³⁺ и Минесота⁴⁺ представляват по 50%. Тази специална структура осигурява триизмерен канал за дифузия на литиеви йони, който се образува от копланарното разположение на тетраедричната решетка 8a, 48f и октаедричната решетка 16c, което позволява литиевите йони да бъдат обратимо вмъквани и извличани от шпинелната решетка, което е важна теоретична основа за използването му като материал за катоди на батерии.
Теоретично, специфичният капацитет на прах LiMn2O4 може да достигне 148mAh/g, което има известен потенциал за съхранение на енергия. В практически приложения обаче, неговата производителност е ограничена от някои фактори. Например, цикличната му производителност е сравнително ниска, а капацитетът на батерията е склонен към намаляване след множество цикли на зареждане и разреждане; в същото време, електрохимичната му стабилност не е добра, особено във високотемпературни среди, където този недостатък е по-очевиден. Тези проблеми до известна степен ограничават мащабното промишлено приложение на LiMn2O4.
Области на приложение на LiMn2O4 прах
Въпреки някои недостатъци в производителността, прахът LiMn2O4 все още показва силен потенциал за приложение в много области, разчитайки на своите уникални предимства. В момента най-важната му област на приложение е катодният материал на литиево-йонните батерии за преносими електронни устройства. В мобилните телефони, лаптопите и други устройства, които използваме ежедневно, катодите на батериите, конструирани с прах LiMn2O4, осигуряват незаменима захранваща поддръжка за стабилната работа на устройствата.
В допълнение към преносимите електронни устройства, LiMn2O4 прахСъщо така се използва широко в областта на електрическите инструменти. Електроинструментите като електрически отвертки и електрически бормашини изискват батерии с добри характеристики на разреждане при висок ток. Добрите характеристики на заряд/разреждане при висок ток на LiMn2O4 му позволяват да отговори на търсенето на електрически инструменти за мигновена висока мощност, гарантирайки, че инструментите могат да работят ефективно и стабилно.
В някои области, чувствителни към цената, като например нискоскоростните електрически превозни средства, LiMn2O4 също има предимства. В сравнение с някои други материали за катоди на батерии, LiMn2O4 има богати ресурси и ниска цена, което прави нискоскоростните електрически превозни средства по-лесни за контрол на разходите за батерии. В същото време, относително добрата му безопасност осигурява известна гаранция за безопасността на шофиране на превозните средства.
Методи за приготвяне на LiMn2O4 прах
За да се получи високоефективен LiMn2O4 прах, изследователите и инженерите са разработили различни методи за получаване. Сред тях методът за високотемпературно твърдофазно синтезиране е често използван. Този метод е сравнително лесен за работа и е лесен за реализиране в мащабно промишлено производство. Основният му принцип е да се смесят равномерно суровини, съдържащи източници на литий и източници на манган в определено съотношение, и след това да се проведе твърдофазна реакция при висока температура за синтез на LiMn2O4 прах. Този метод обаче има и някои недостатъци, като например високата необходима реакционна температура, което води до висока консумация на енергия; освен това, частиците на синтезирания материал често са големи, с лоша еднородност и накрая специфичната енергия на материала е ниска.
В допълнение към метода за високотемпературно твърдофазно синтезиране, съществуват също метод на импрегниране със стопилка, метод на микровълнов синтез, метод зол-гел, метод на емулсионно сушене, метод на съвместно утаяване, метод на Печини и хидротермален метод на синтез и др. Вземайки метода на Печини като пример, този метод подобрява традиционния процес чрез предварително запалване на прекурсора по време на процеса на синтез, като по този начин ефективно подобрява еднородността на праха LiMn2O4. С увеличаване на съдържанието на ЕГ (етиленгликол) се подобрява еднородността на праха, увеличава се специфичната повърхност и се подобряват и цикличните характеристики. Пробите, калцинирани при 800℃ за 4 часа, имат специфичен капацитет на заряд-разряд съответно 130.7mAh/g и 126.7mAh/g. Различните методи на приготвяне имат своите предимства и недостатъци. В практическите приложения е необходимо да се избере подходящ процес на приготвяне според специфичните нужди и производствените условия.
Перспектива за развитие на LiMn2O4 прах
Изправени пред проблемите, свързани с производителността на циклите и електрохимичната стабилност на LiMn2O4, изследователите активно търсят решения. От една страна, технологията за модификация на повърхността може ефективно да инхибира разтварянето на манган и разграждането на електролита, като по този начин подобрява стабилността на материала. От друга страна, специфичните легиращи елементи могат да инхибират ефекта на Ян-Телер по време на заряд и разряд, като по този начин допълнително подобряват производителността на материала. Очаква се комбинацията от модификация на повърхността и технология за легиране да се превърне във важно направление в изследванията за подобряване на електрохимичните характеристики на шпинел LiMn2O4 в бъдеще.
От гледна точка на пазарните перспективи, с непрекъснатия растеж на глобалното търсене на нова енергия, индустрията за батерии открива безпрецедентни възможности за развитие. Очаква се LiMn2O4, с предимствата си на изобилие от ресурси и ниска цена, да заеме по-голям дял на бъдещия пазар на батерийни материали. Особено в сценарии на приложение с високи изисквания за цена и безопасност, прахът LiMn2O4, след оптимизиране на производителността, ще има по-силна конкурентоспособност. Например, в областта на мащабното съхранение на енергия, ако съществуващите проблеми могат да бъдат решени, LiMn2O4 ще осигури ефикасен, икономичен и безопасен вариант за батерийни материали за системи за съхранение на енергия.
Като материал за батерии със значителен потенциал, прахът LiMn2O4, въпреки че е изправен пред някои предизвикателства в момента, с непрекъснатия напредък и иновации в технологиите, неговите характеристики ще се подобряват непрекъснато, а областите на приложение ще се разширяват допълнително. Очаква се той да играе все по-важна роля в развитието на батерийна индустрия в бъдеще. допринасят за насърчаване на технологичния прогрес и енергийната трансформация.
