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锂离子电池正极材料Li1.07Ni0.4)Mn0.53O2的合成及电化学性能

2020-01-14 来源:飒榕旅游知识分享网
・ 38 ・ 材料导报B:研究篇 2015年4月(下)第29卷第4期 锂离子电池正极材料Li .07Ni0.4Mno.53O2的合成及电化学性能 钟盛文,刘熙林,李 栋,陈 鹏,梅文捷,金柱,胡经纬,王春香 (江西理工大学材料科学与工程学院,赣州341000) 摘要 Li1。 Nio .采用氢氧化物共沉淀法制备出Ni 。Mno s (0H)。前驱体,与Li2C()3混合制备了锂离子电池正极材料 Mno s。O2,利用SEM、XPdD对所得试样的形貌和晶体结构进行了表征,并研究了材料的电化学性能。结果 表明:950℃下保温16 h所得L 7Nio Mno 53O2具有良好的倍率性能和循环稳定性,2.75~4.2 V、90 mA/g(0.5C) 下Li1.。7Ni0 Mno.5302的首次放电比容量达到127.11 mAh/g,100次循环后容量保持率为98.99 。 关键词 锂离子电池Lil o7Ni0.4Mn0 ssO2共沉淀电化学性能 中图分类号:0646 文献标识码:A DOI:10.11896/j.issn.1005—023X.2015.08.009 Synthesis and Electrochemical Properties of LilMn053 Nio4 o2 as oT ...Cathode Material for Lithium Ion Batteries ZHONG Shengwen,LIU Xilin,LI Dong,CHEN Peng,MEI Wenjie,JIN Zhu, HU Jingwei。WANG Chunxiang (School of Material Science and Engineering,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000) Abstract Li1 o7Ni0302 was synthesized through mixing LizCO3 with Nio4Mno 543Mno 57(0H)2 precursor pre— .pared by hydroxide co-precipitation method.The morphologies and crystal structure of Lil_07 Nio 4 Mn0 53 Oz were ch racterized by SEM and XRD,respectively.The electrochemical properties were also investigated.The results showed that the Lil o7 Nif).4 Mn0.53 02 synthesized at 950℃for 16 h exhibited excellent rate capability and cycling stability. When cycled at 25。C,2.75—4.2 V with a current density of 90 mA/g(0.5C),the Lil o7Ni0 4Mno 5302 achieved an initial discharge specific capacity of 127.11 mAh/g,and capacity retention was 98.99 0 o after 100 cycles. Key words lithium ion batteries,LilNi04 Mn0 53 02,co-precipitation,electrochemical properties o7 ..0 引言 锂离子电池在现代社会中得到越来越广泛的应用。 — CoO 由于工作电压高、电化学性能稳定等优势在市场上占 据重要份额,但是Co的毒性大,资源匮乏,价格昂贵,迫使人 们极力寻求LiCoO2的替代材料。富锂锰基正极材料 xLizMnO3・(1--x)LiMO2(M—Ni、Mn、Co等)因具有循环 寿命长、价格低廉等优点而引起了人们广泛关注 1 ]。目前 时首次放电比容量可达200 mAh/g,而在2.0~4.3 V之间 进行充放电时,首次放电比容量仅为69 mAh/g。提高富锂 锰基正极材料的充放电电压(≥4.6 V)虽然可以增加其首次 放电比容量(≥200 mAh/g),但是高充放电电压容易引起电 解液的分解,破坏材料的结构稳定性,致使材料的循环性能 较差E“ 。 本实验采用氢氧化物共沉淀法制备前驱体,然后与 Li。cO。混合均匀后进行高温固相反应合成LI1_0 Ni。 .Mno. ()2正极材料,通过SEM、XRD对所得材料的形貌和结构进 行了表征,并考察了其在2.75~4.2 V电压范围内的电化学 性能,最终得到了电化学性能优良的Li 。 Ni Mno 。O。正极 材料。 关于富锂锰基正极材料的研究主要集中于高电压(≥4。6 V) 下的电化学性能,对其在常压(4.2 V)下的电化学性能研究 相对较少_6 。Kim等l_】 通过燃烧法制备的Li(Li / Mn 一 Ni1/6Co1/6)O2在2.0~4.8 V内0.2C下首次放电比容量为 225 mAh/g,50次循环后容量保持率为77.78 ;Lee等_1 通 过溶胶凝胶法制备的Li(Li Mno Co。_1Ni0_15)O 在2.0~ 4.8 V、20 mA/g下首次放电比容量可达240 mAh/g,5O次 循环后容量保持率为58.33%;Deng等 阳通过溶胶凝胶法制 1 实验 1.1 Li1.07Ni04Mn0_53O2的制备 .将MnSO4・H2O、NiSO4・6H O按化学计量比 备的Li(Li。_2Ni。I2Mno.6)02材料在2.O~4.6 V、0.1 rnA/cm2 (Mn):n(Ni)一53:40(物质的量比)配制成2 mol/L的混 *国家自然科学基金(51372104);江西省科技计划项目(20141BBES0019) 钟盛文:男,1963年生,教授,主要研究方向为锂离子电池及相关材料 E-mail:zhongshw@126.corn主要研究方向为锂离子电池正极材料E-mail:liuxilin2012@163.corn 刘熙林:1990年生,硕士生, 锂离子电池正极材料Li1.。7Ni。. Mno. 。O2的合成及电化学性能/钟盛文等 ・ 39 ・ 合溶液,与配制好的4 mol/L的NaOH溶液通过蠕动泵均匀 ℃保温16 h所制备试样的XRD图。从图1可以看出,不同 加入到反应釜中,通人氮气进行气氛保护,以NH。・H O为 温度下烧结所得材料均可归属于R3m,a—NaFeO。型层状结 络合剂,控制反应的pH=10.95~ll,在55℃下共沉淀反应 构。860℃所合成的试样衍射峰强度稍弱,结晶度相对较小。 24 h制得前驱体Ni 。Mno. (OH) 。前驱体经洗涤、过滤、 随着烧结温度的升高,试样衍射峰强度增强,结晶度增大, 真空干燥24 h后与Li CO。混合均匀,置于箱式炉中,空气气 (006)和(012)、(018)和(110)两组峰分裂越加明显,表明所 氛下,在550℃保温4 h,再升温至860~1010℃保温16 h, 制备试样的层状结构越来越完整D73,其中950℃和980℃烧 自然冷却至室温,取出研磨过筛后即得Lj 。 Ni。. Mno 。O 正 结所得试样的(006)和(012)、(018)和(11o)两组峰分裂更为 极材料。 明显,层状结构较为完整。 1.2 Li1-07Ni04Mno..5302的表征 采用荷兰PANalytical X Pert PRO型转靶X射线衍射 l 言燕j张 c 占 1010℃ 仪对产物进行结构分析,测试条件如下:Cu Ka辐射,4O kV 管电压,40 mA管电流,扫描范围为20=10~8O。,步长为 I . I ~ 。 ℃ 0.02。,扫描速率为1O(。)/miar采用德国ZEISS EVO/MA1O 一L: 二二二 型扫描电镜对产物的表面形貌进行分析;采用丹东百特BT- 9300ST型激光粒度分布仪对产物进行粒度分析。 1.3 Li1.07Nio.4MIl0.5302的电化学性能测试 ... J .^ . 将制备好的u .。 Ni Mno. 。O 作为正极材料,Super—P 10 20 30 40 50 6O 70 80 20/(。) 和KS-6为导电剂,聚偏氟乙烯为粘结剂,四者质量比为90: 2.5:2.5:5,加入溶剂N一甲基吡咯烷酮,制成黏度适宜的浆 图l不同合成温度下保温16 h所得Li .。,Ni0.4Mll0.5302 料,涂敷在铝箔上,制成正极片;采用MCMB为负极材料, 的XRD图 Super-P和KS-6为导电剂,聚偏氟乙烯为粘结剂,四者质量 Fig.1 XRD patterns of Lil_∞Nim 4Mno5302 samples .比为90:1_5:1.5:7,加入溶剂N-甲基吡咯烷酮,配制黏 synthesized at different temperatures for 16 h 度适宜的浆料,涂覆在铜箔上,制成负极极片。采用深圳新 表1列出了不同烧结温度下试样的粒径及晶胞参数。 宙邦生产的1 mol/L LiPF6/DMC+EMC+EC(体积比1: 由表1可知,各试样的c/a值均大于理想立方密堆积结构的 1:1)电解液,Celgard2300隔膜,在通有流动干燥的除湿房 c/a值(4.899),表明不同温度下所得试样均具有较好的层状 中,卷绕组装成软包电池。 结构。随着合成温度的升高,材料的c/a值逐渐增大,在950 采用NEWARE BTS 5V3A型电池测试系统对装配好 ℃时达到最大,表明950℃所合成试样具有最为完整的层状 的电池进行电性能测试,充放电电压范围为2.75~4.2 V,测 结构,这与图1中950℃试样的(018)和(1i0)所对应衍射峰 试温度为一20℃和25℃。 分裂最为明显是相吻合的。此外,J 。 / 。 值可以用来衡 量材料中阳离子混排程度,其数值越大,表明阳离子混排程 2结果与讨论 度越小口 。一般认为,当 。。。 /1『 值大于1.2时,材料的阳 2.1 烧结温度对Li1.07Ni0.4Mno.5302晶体结构的影响 离子混排程度较小,离子有序度较好。各试样的j c㈣/I c 。 图1为在860℃、890℃、920℃、950℃、980℃和1010 值均大于1.8,表现出较低的阳离子混排程度。 表I不同合成温度下保温16 h所得Lil.0 Ni。. Mm. ,o2的粒径与晶胞参数 Table 1 Particle size and lattice parameters of LilNioMno53 O2 samples .07 4 ..synthesized at different temperatures for 1 6 h 2.2烧结温度对Li1.07N MIl0-53O2形貌的影响 的试样呈现絮状,这表明颗粒尚未完全成型,晶体还没有得 图2为不同合成温度下L Ni Mno.。。O 的SEM图。 到完全生长;随着温度的升高,试样开始呈现岩石状的晶粒 由图2并结合表1可以看出,不同合成温度下所制备试样的 形貌,结晶趋于完整。950℃所合成的试样结晶较为完整,颗 颗粒均带有一定的团聚现象,由一些小颗粒聚集在一起,形 粒分散相对较好。随着烧结温度的进一步升高,至1010。C 成平均粒径在9~13 m的二次颗粒。860℃和890℃制备 时,颗粒团聚加重,材料的分散性较差,并形成了较大的颗 锂离子电池正极材料Li .o Ni叫Mn0.s。O2的合成及电化学性能/钟盛文等 ・ 41 ・ ll 旦 。日 。 lJ1gdB豁% ;3 1 口 l { ._ 5 ㈣……幽  : ……‘ 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 Vohage/V Voltage/V 图5 950℃保温16 h所得Li1.07Nio.4Mno.5302在2.75--4.2 V、90 mA/g 的容量微分曲线图 Fig,.5 Differential capacity versus voltage curves of Li1Ni04Mno02 samples synthesized at 950℃for 16 h 07s3...cycld eat 90 mA/ginthe voltage range of 2.75—4.2 V 图6 950℃保温16 h所得Li。.07Nio.4Mno.5302在 2.75~4.2 V下的倍率放电图 Fig.6 Rate capability of Li1Ni04Mno53O2 samples synthe- 07...图7 950℃保温16 h所得Li㈨Ni0.4Mno.5302在--20℃和 25℃下的放电效率图(2.75--4.2 V,36 mA/g) Fig.7 Discharge efficiency curves of Lil.o7Ni0lVlno5302 4..sized at 950℃for 16 h cycled at different rates in the voltage range of 2.75—4.2 V sampls syenthesized at 950℃for 16 h cycled at--20℃and 25℃with 36 mA/g in the voltage range of 2.75—4.2 V 图7为950℃烧结16 h所得Li。.。 Ni。. Mno 。02材料在 25℃、2.75~4.2 V、0.2C(36 mA/g)循环5次后以0.2C恒 3结论 采用氢氧化物共沉淀法制备出Ni 。Mno. (OH)z前驱 流充电至4.2 V,在4.2 V下恒压充电至电流下降到0.02C, 再将电池转人低温箱中,在一2O℃下放置16 h后,以0.2C 倍率进行放电的放电效率图。由图7可知,Li。.。 Ni Mno 。一 O。材料在25℃、0.2C下可以放出其充电容量的99.9 ,而 在--20℃、0.2C的放电容量仅为25℃、0.2C充电容量的 36.6 。这可能是由于低温下材料的电荷传递阻抗增大,锂 离子的扩散速度较慢,材料内部极化加剧,活性物质的化学 体,在不同烧结温度(860~1010℃)下合成了Li 。 N — Mno。O 正极材料。研究表明,烧结温度为950℃保温16 h . 所制备出的Li .。 Ni Mno. 。O。电化学性能最优。在25℃、 2.75~4.2 V、90 mA/g下Lil.o7Ni0l4Mno 5302的首次放电比 容量达到127.11 raAh/g,100次循环后容量保持率为 98.99 ,表现出极佳的循环稳定性和较好的倍率性能,但其 低温性能仍有待改善。 活性下降,使得低温下的放电容量降低I2卜 ]。 ・42 ・ 材料导报B:研究篇 2015年4月(下)第29卷第4期 参考文献 1 Kim J H,Sun Y K.Electrochemical performance of Li- [LL Ni(1 2 Mn(1+Irj/2]02 cathode materials synthesized by a sol-gel method[J].J Power Sources,2003,119—121:166 2 Shin S S,Sun Y K,Amine K.Synthesis and electrochemical properties of Li[Li(1—2 )/3 Ni, ̄Mn(2 )/3]02 as cathode mate- rials for lithium secondary batteries[J].J Power Sources, 2002,112:634 3 Young S H,Yong J K,Kwang S R,et a1.Charge/discharge behavior of Li[Nio.2o Li0.2o Mno.60]02 and Li[COo.2o LiD_27一 Mn0.53]O2 cathode materials in lithium secondary batteries l J 1.S0lid State Ionics,2005,176:1035 4 Michael M T,Sun H K,Christopher S J,et a1.Li2MnO3一sta— bilized LiM0 (M—Mn,Ni,Co)electrodes for lithium-ion batteries[J].J Mater Chem,2007,17(30):3112 5 Lu Z H,Macneil D D,Dahn J R.Layered cathode materials Li[Nix Li(1/3一 /3)Mn(2/3一 /3)]02 for lithium-ion batteries[J]. 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