李節(jié)賓 徐友龍 董 鑫 薛蓉莉
(1西安交通大學(xué)電子陶瓷與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,國(guó)際電介質(zhì)研究中心,西安 710049)
(2陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所,西安 710061)
xLi2MnO3·(1-x)LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(x=0.1、0.2、0.3和0.4)固溶體材料性能研究
李節(jié)賓1,2徐友龍*,1董 鑫1薛蓉莉2
(1西安交通大學(xué)電子陶瓷與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,國(guó)際電介質(zhì)研究中心,西安 710049)
(2陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所,西安 710061)
通過(guò)LiNO3與Mn(NO3)2的混合溶液與LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2粉體共混干燥后在900℃熱處理12 h制備了xLi2MnO3·(1-x) LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(x=0.1、0.2、0.3和0.4)固溶體。隨著x的增加,固溶體的XRD峰強(qiáng)度減弱,峰形變寬,而在20°~30°間的結(jié)構(gòu)特征峰(LiMn6)更加明顯;盡管固溶體的外觀形貌為團(tuán)聚狀,但組成其的單顆粒平均粒徑隨著x增大,由x=0.1時(shí)的250 nm增大到x= 0.4時(shí)的350 nm。隨著充放電截止電壓的升高,固溶體的放電比容量增大;在2.5~4.6 V間充放電,當(dāng)x=0.2時(shí),充放電的極化最小,放電平臺(tái)最高;不同倍率充放電循環(huán)21周后發(fā)現(xiàn)隨著x的增大,容量保持率從91.2%增加大105.6%。研究結(jié)果表明,Li2MnO3可以改善LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2材料的電化學(xué)性能。
鋰離子電池;正極材料;固溶體;xLi2MnO3·(1-x)LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2
近年來(lái),Thackeray等[1-7]提出一種穩(wěn)定電池材料的新方案,即用Li2MnO3與層狀或尖晶石狀的正極材料固溶,合成“層狀-層狀”結(jié)構(gòu)的xLi2MnO3·(1-x) LiMO2(M=Co,Ni,Mn…)材料與“層狀-尖晶石”結(jié)構(gòu)的xLi2MnO3·(1-x)LiM2O4材料。盡管Li2MnO3化合物中Mn的化合價(jià)為+4價(jià),很難被進(jìn)一步氧化到+5價(jià),而使其本身電化學(xué)活性較低,但是它能夠穩(wěn)定材料的層狀結(jié)構(gòu)或尖晶石結(jié)構(gòu)。Li2MnO3,又可寫(xiě)作Li (Li1/3Mn2/3)O2,可以認(rèn)為是LiMnO2材料中1/3的Mn4+被Li+替代而形成,因此Li2MnO3具有與LiCoO2、LiNiO2及 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2相類似的 α-NaFeO2結(jié)構(gòu),且Li2MnO3具有Li、Mn原子的超結(jié)構(gòu)有序性,這可使其晶格對(duì)稱性有所降低,并可以與其他正極材料形成固溶體[8]。目前研究以Li2MnO3來(lái)改善電池材料性能的報(bào)道較多,如Tabuchi等[9]與Numata等[10]分別報(bào)道了利用水熱法并經(jīng)后續(xù)熱處理制備了LiFeO2-Li2MnO3與LiCoO2-Li2MnO3的固溶體。
由于LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正極材料在較高的截止電壓(≥4.6 V)下容量衰減大,因此人們不斷對(duì)其進(jìn)行改性研究,其中對(duì)以Li2MnO3與LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2形成固溶體表現(xiàn)出極大的研究興趣。合成的固溶體在較高的截止電位(4.6~4.8 V vs Li+/Li)充放電時(shí),Li可以從Li2MnO3中脫出而釋放出O2并生成層狀的MnO2,提高了正極材料的放電容量和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,其放電比容量可超過(guò)200 mAh·g-1,而且循環(huán)性能大幅度提高[11-18]。目前人們制備xLi2MnO3·(1-x)LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2固溶體的方法多采用溶膠-凝膠法及共沉淀法等[6-7,19],利用增加廉價(jià)的鋰和錳,形成富鋰高錳型化合物,降低正極材料的制備成本,并達(dá)到改善正極材料電化學(xué)性能的目的。
本文嘗試?yán)孟跛猁}(LiNO3與Mn(NO3)2)混合溶液(nLi∶nMn=2∶1)與共沉淀法制備的LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2粉體充分混合并干燥后經(jīng)高溫?zé)崽幚砗铣蓌Li2MnO3·(1-x)LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(x=0.1、0.2、0.3和0.4)固溶體,并對(duì)其結(jié)構(gòu)、形貌及電化學(xué)性能進(jìn)行了研究。
1.1 xLi2MnO3·(1-x)LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(x=0.1、0.2、0.3和0.4)固溶體的制備
將LiNO3與Mn(NO3)2(天津市紅巖化學(xué)試劑廠,AR)按照nLi∶nMn=2∶1溶解于去離子水中,配置成金屬離子總濃度為1 mol·L-1的混合溶液。分別稱取定量的LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正極材料(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正極材料制備過(guò)程見(jiàn)[20])置于 4個(gè)燒杯中,按照xLi2MnO3·(1-x)LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2中x=0.1、0.2、0.3和0.4計(jì)量比量取硝酸鹽混合溶液并分別加入燒杯,充分?jǐn)嚢? h后形成懸浮液;接著在(95±5)℃下邊攪拌邊蒸發(fā)多余水分至成粘稠狀物體,然后將其放入烘箱中并在(120±2)℃干燥12 h,制備出不同計(jì)量比的硝酸鹽與LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2混合前驅(qū)體。
將混合前驅(qū)體從烘箱中取出,放入研缽并研磨10 min,然后將其置于4個(gè)的坩堝中,在燒結(jié)爐中以5℃·min-1的升溫速率升溫至900℃,保溫12 h;自然冷卻至室溫,即制備出xLi2MnO3·(1-x)LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(x=0.1、0.2、0.3和0.4)固溶體材料,將它們分別標(biāo)記為S1、S2、S3和S4?;瘜W(xué)反應(yīng)方程式見(jiàn)式(1),其中M=Ni1/3Co1/3Mn1/3,制備流程見(jiàn)圖1。
圖1 xLi2MnO3·(1-x)LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(x=0.1、0.2、0.3和0.4)固溶體的制備流程圖Fig.1 Flow chart of xLi2MnO3·(1-x)LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 (x=0.1,0.2,0.3 and 0.4)solid solutions
1.2 材料表征
以 X-射線衍射儀 (XRD,X-Ray Diffractomer,PANalytical,X′Pert PRO,Cu靶Kα線,λ=0.154 056 nm)測(cè)試固溶體的結(jié)構(gòu),掃描范圍10°~80°,掃描速率為10°·min-1;并在20°~30°間以1°·min-1對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)微掃描;采用 JSM-6700F(SEM,Scanning Electron Microscope)對(duì)固溶體的形貌進(jìn)行表征。
將制備的正極活性物質(zhì)xLi2MnO3·(1-x)LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(x=0.1、0.2、0.3和0.4)固溶體、導(dǎo)電炭黑與粘結(jié)劑 (PVDF,Polyvinylidene Fluoride,法國(guó)Kynar)按質(zhì)量比70∶20∶10混合,以N-甲基吡咯烷酮(NMP,N-Methyl Pyrrolidone)為溶劑,分別研磨制成均勻的漿料并涂布于鋁箔上。然后在120℃真空干燥12 h后裁剪成直徑(φ)為1 cm的圓片,以1 mol· L-1的LiPF6/碳酸乙烯酯(Ethylene Carbonate(EC))+碳酸二甲酯(Dimethyl Carbonate(DMC))+碳酸甲乙脂(Ethyl Methyl Carbonate(EMC),體積比為1∶1∶1)為電解液,以聚丙烯微孔膜(Celgard2400)為隔膜,金屬鋰片為負(fù)極,在充滿氬氣的干燥手套箱(Mikrouna,1225/750))中組裝成CR2016型扣式電池,并在Land電化學(xué)性能測(cè)試儀上進(jìn)行充放電測(cè)試。
2.1XRD與SEM測(cè)試
圖2是制備的xLi2MnO3·(1-x)LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(x=0.1、0.2、0.3和0.4)固溶體的XRD圖。圖中的衍射峰均比較尖銳,而且(006)/(102)峰和(108)/(110)峰分裂非常明顯,表明制備的固溶體具有α-NaFeO2層狀結(jié)構(gòu),隨著x的增加,XRD峰強(qiáng)度有所減弱,且峰形變寬;對(duì)制備的固溶體在2θ為20°~30°間進(jìn)行細(xì)微掃描發(fā)現(xiàn),當(dāng)x≥0.2時(shí),固溶體的XRD圖中存在幾個(gè)弱峰,這是Li2MnO3材料獨(dú)具有的特征峰(LiMn6的超結(jié)構(gòu)),為單斜晶胞,隨著x的增大,此峰更加明顯[21-22]。這表明LiNi3Co1/3Mn1/3O2與Li2MnO3有著相似的峰形特征,兩種材料(空間群分別為R3m與C2/m)形成了xLi2MnO3·(1-x)LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2固溶體。
圖2 xLi2MnO3·(1-x)LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(x=0.1、0.2、0.3和0.4)固溶體的XRD圖Fig.2 XRD patterns of xLi2MnO3·(1-x)LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 (x=0.1,0.2,0.3 and 0.4)solid solutions
固溶體xLi2MnO3·(1-x)LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2的表面形貌如圖3所示。從圖中可以看出,固溶體材料的外觀形貌均為團(tuán)聚狀,但組成其的單顆粒平均粒徑隨著x的增大而增大,當(dāng)x=0.1時(shí),形成的固溶體S1的單顆粒平均粒徑約為250 nm;而隨著x的繼續(xù)增加,其平均粒徑也逐漸增大,當(dāng)x=0.4時(shí),S4的平均粒徑增大到約350 nm,這與固溶體的制備方法有關(guān),由于含有較多的Li2MnO3材料,故S4的顆粒平均粒徑大于其他樣品,其測(cè)試結(jié)果與XRD分析結(jié)果對(duì)應(yīng)。
圖3 xLi2MnO3·(1-x)LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(x=0.1、0.2、0.3和0.4)固溶體的SEM圖Fig.3 SEM images of xLi2MnO3·(1-x)LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 (x=0.1,0.2,0.3 and 0.4)solid solutions
2.2 電化學(xué)性能測(cè)試
圖4 xLi2MnO3·(1-x)LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(x=0.1、0.2、0.3和0.4)固溶體在不同截止電壓范圍內(nèi)的放電循環(huán)曲線Fig.4 Discharge cycle curves at different cut-off voltage of xLi2MnO3·(1-x)LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(x=0.1,0.2, 0.3 and 0.4)solid solutions
xLi2MnO3·(1-x)LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2固溶體在充放電截止電壓低于4.5 V時(shí),Li+的脫出伴隨著Ni2+/ Ni4+、Co3+/Co4+等之間的氧化還原反應(yīng);當(dāng)其充電截止電壓超過(guò)4.5 V時(shí),正極材料中會(huì)脫出更多的鋰,同時(shí)釋放出O2,而且生成了具有電化學(xué)活性的MnO2,在放電過(guò)程中僅有部分Li+嵌入,形成穩(wěn)定的LiMnO2材料,并具有電化學(xué)活性,而且可逆[23]。為了研究所制備固溶體的電化學(xué)性能,分別以相同的電流密度對(duì)固溶體S1、S2、S3和S4在不同的截止電壓范圍內(nèi)進(jìn)行充放電循環(huán)測(cè)試,每相同的截止電壓范圍內(nèi)測(cè)試10周,見(jiàn)圖4。
從圖4可以發(fā)現(xiàn),隨著充電截止電壓的增大,固溶體的放電比容量均有所增加,當(dāng)截止電壓不大于4.6 V時(shí),放電比容量的增加幅度較大,而當(dāng)截止電壓大于4.6 V時(shí),放電比容量增加幅度較小,且放電曲線有波動(dòng)。表1是從圖4計(jì)算固溶體在不同截止電壓內(nèi)的平均放電比容量。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn),在較低的截止電壓下(2.5~4.3 V),xLi2MnO3·(1-x)LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2固溶體的放電比容量小于以相同電流密度放電的 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2粉體的性能(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2的放電比容量可達(dá)150 mAh·g-1[20]),表明制備的固溶體在充電截止上限電壓為 4.3 V時(shí),Li2MnO3幾乎沒(méi)有電化學(xué)活性;隨著x的增大,放電比容量依次減小。隨著充電截止上限電壓的升高(~4.5 V),制備的固溶體放電比容量增大,但是放電比容量的順序仍為:S1>S2>S3>S4,意味著合成的固溶體的放電比容量主要由 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2材料貢獻(xiàn);然而,當(dāng)充放電截止電壓在2.5~4.6 V或更高時(shí),固溶體的放電比容量大幅度增加,而且有的樣品的放電比容量高于理論容量 (理論容量以LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2材料計(jì)算),這可能與固溶體材料在充放電過(guò)程中Mn4+的還原有關(guān)[24-26],意味著Li2MnO3在較高的充電截止電壓下(≥4.6 V)具有較高的電化學(xué)活性。
表1 xLi2MnO3·(1-x)LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(x=0.1、0.2、0.3和0.4)固溶體在不同截止電壓內(nèi)的平均放電比容量Table 1 Discharge capacities at different cut-off voltage of xLi2MnO3·(1-x)LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 (x=0.1,0.2,0.3 and 0.4)solid solutions (mAh·g-1)
若以xLi2MnO3·(1-x)LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(x=0.1,0.2, 0.3和0.4)固溶體在2.5~4.3 V的放電比容量為1,采用歸一化法計(jì)算不同截止電壓范圍內(nèi)放電比容量與其比值,見(jiàn)圖5。隨著Li2MnO3量的增加及充電截止電壓的升高,固溶體放電比容量增加的越多,表明Li2MnO3在較高的截止電壓下會(huì)產(chǎn)生較大的電化學(xué)活性,并且隨著x的增加,固溶體釋放的相對(duì)比容量增加的幅度也增大;然而,當(dāng)充電截止電壓不小于4.7 V時(shí),放電曲線不穩(wěn)定(見(jiàn)圖4),這可能是由于較高的充放電截止電壓下,電解液會(huì)發(fā)生分解或氧化,從而導(dǎo)致在充放電過(guò)程中放電曲線存在波動(dòng),故在后面研究固溶體電化學(xué)性能時(shí)將充放電電壓設(shè)為2.5~4.6 V。
圖5 xLi2MnO3·(1-x)LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(x=0.1、0.2、0.3和0.4)固溶體在不同截止電壓范圍的放電比容量的歸一化曲線Fig.5 Normalized curves of discharge capacity at different cut-off voltage for xLi2MnO3·(1-x) LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(x=0.1,0.2,0.3 and 0.4) solid solutions
通過(guò)對(duì)xLi2MnO3·(1-x)LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2固溶體在不同截止電壓范圍的電化學(xué)性能分析可知,當(dāng)固溶體在較低的截止電壓(≤4.5 V)下充放電循環(huán)時(shí),固溶體中Li2MnO3的電化學(xué)活性較小,放電容量主要源自LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正極材料;而當(dāng)充電截止電壓不小于4.6 V時(shí),Li2MnO3材料的電化學(xué)活性增大,并與LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2材料共同起作用,脫出/嵌入鋰離子。充電截止電壓不小于4.6 V時(shí),大量的鋰離子從電極中脫出,同時(shí)釋放出O2,形成Li2O及MnO2網(wǎng)絡(luò);如果所有的鋰從電極中脫出,其理想的充電反應(yīng)機(jī)理可以分布描述為式(2)、(3)[12]。
然而,由于充電過(guò)程中釋放的O2不可能在放電過(guò)程中再進(jìn)入材料的結(jié)構(gòu),因此不可能所有脫出的 Li+完全嵌入xLi2MnO3·(1-x)LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2材料結(jié)構(gòu)中,只有部分Li+嵌入形成計(jì)量比化合物[12,15,27],其可能的反應(yīng)機(jī)理如式(4)所示。
經(jīng)過(guò)在較高截止電壓范圍內(nèi)充放電循環(huán),生成的LiMnO2材料中Mn的化合價(jià)變?yōu)?3價(jià),具有電化學(xué)活性,并與LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2形成結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定的固溶體。
對(duì)xLi2MnO3·(1-x)LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(x=0.1、0.2、0.3和0.4)固溶體在2.5~4.6 V間進(jìn)行電性能測(cè)試研究,其第二周充放電曲線見(jiàn)圖6(充放電速率為0.1C)。從圖中發(fā)現(xiàn),固溶體中Li2MnO3的量對(duì)固溶體的電極極化有影響,當(dāng)x從0.1增大到0.2時(shí),極化有所減小,而當(dāng)x繼續(xù)增大到0.4時(shí),電極的極化卻增大;這可能是由于當(dāng)x=0.1時(shí),混合物經(jīng)高溫處理后,Li2MnO3與 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2完全固溶,但Li2MnO3的量較小 (鋰離子濃度低);而當(dāng)x=0.3、0.4時(shí),有更多的Li2MnO3在LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2固溶,材料的無(wú)序度增加,使電極極化增大;僅當(dāng)x=0.2時(shí),生成的固溶體電極極化最小,性能最佳,表明適量的Li2MnO3與LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2固溶能夠減小電極極化。
圖7是固溶體不同倍率的放電循環(huán)曲線。從圖中可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)所有樣品經(jīng)不同倍率充放電循環(huán)21周后,除S1、S2外的其他粉體的放電容量保持率都有所增加,它們?cè)诓煌堵氏碌姆烹姳热萘宽樞驗(yàn)椋篠2>S1>S3>S4,其中S1的首次放電比容量為194.8 mAh·g-1,21周后為177.7 mAh·g-1,容量保持率為91.2%;S2、S3和S4對(duì)應(yīng)的容量分別為:200.1、197.2 mAh·g-1、174.5、181.3 mAh·g-1和161.3、170.4 mAh·g-1,對(duì)應(yīng)的容量保持率分別為98.6%、103.9%和105.6%。隨著x的增加,形成的固溶體材料的容量保持率有所增加,這可能是由于經(jīng)過(guò)多次循環(huán)后存在Mn4+還原為Mn3+的緣故[24],意味著形成的固溶體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性得到了提高,并且有效地改善了正極材料的循環(huán)穩(wěn)定性。
圖7 xLi2MnO3·(1-x)LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(x=0.1、0.2、0.3和0.4)材料在2.5~4.6 V間的不同倍率循環(huán)曲線Fig.7 Cycle curves at different rates of xLi2MnO3· (1-x)LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(x=0.1,0.2,0.3 and 0.4)solid solutions within 2.5~4.6 V
圖6 xLi2MnO3·(1-x)LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(x=0.1、0.2、0.3和0.4)材料在2.5~4.6 V間以0.1C的充放電曲線Fig.6 Charge-discharge curves of xLi2MnO3·(1-x)LiNi1/3 Co1/3Mn1/3O2(x=0.1,0.2,0.3 and 0.4)solid solutions within 2.5~4.6 V at 0.1C rate
以LiNO3與Mn(NO3)2的混合硝酸鹽溶液與共沉淀法制備的LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正極材料粉體共混干燥后經(jīng)高溫?zé)崽幚碇苽淞藊Li2MnO3·(1-x)LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(x=0.1、0.2、0.3和0.4)固溶體。隨著x的增大,固溶體中Li2MnO3的結(jié)構(gòu)特征峰更加明顯,而且組成其的單顆粒平均粒徑也隨著增大。當(dāng)充放電截止電壓不小于4.6 V時(shí),Li2MnO3的電化學(xué)活性增大,固溶體的放電比容量增加;在2.5~4.6 V間循環(huán),其循環(huán)穩(wěn)定性也得到了較好的改善,表明以硝酸鹽制備Li2MnO3可以改善LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2正極材料的電化學(xué)性能。
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Properties Study of xLi2MnO3·(1-x)LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(x=0.1,0.2,0.3 and 0.4)Solid Solution Materials
LI Jie-Bin1,2XU You-Long*,1DONG Xin1XUE Rong-Li2
(1Electronic Materials Research Laboratory,Key Laboratory of the Ministry of Education, International Center for Dielectric Research,Xi′an Jiaotong University,Xi′an 710049,China)
(2Shaanxi Applied Physics and Chemistry Research Institute,Xi′an 710061,China)
xLi2MnO3·(1-x)LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2(x=0.1,0.2,0.3 and 0.4)solid solutions were prepared by annealing the precursors at 900℃ for 12 h,which were dried from the mixtures of LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2powder and the solutions of LiNO3and Mn(NO3)2.The peaks intensity of solid solutions XRD patterns were weak and broaden.The structure peaks (LiMn6)in 20°~30°became more clearly with the x value.The size of single particles increased from 250 nm of x=0.1 to 350 nm of x=0.4 although the appearance of these solid solutions were agglomerate.The capacities of the solid solutions increased with the voltage increasing.The electrode polarization was least and the discharge plateau was highest at x=0.2 from the charge and discharge curves within 2.5~4.6 V.Furthermore,the capacity retention ratios increased from 91.2%to 105.6%with x value after different rate cycling 21 cycles.The results showed that the electrochemical properties of LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2materials can be improved by Li2MnO3.
lithium ion battery;cathode material;solid solution;xLi2MnO3·(1-x)LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2
O614.111;O614.81
A
1001-4861(2012)06-1125-06
2011-11-09。收修改稿日期:2012-03-12。
2011年教育部博士點(diǎn)基金——優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域課題(No.201102011030005)資助項(xiàng)目。
*通訊聯(lián)系人。E-mail:ylxuxjtu@mail.xjtu.edu.cn,Tel:029-82665161