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锂离子电池正极材料尖晶石型LiMn2O4的制备及电化学性能研究

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第19卷第3期 201 2年6月 JOURNAL OF DONGGUAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 东莞理工学院学报 Vo1.19 No.3 Jun. 2012 锂离子电池正极材料尖晶石型LiMn2 O4的 制备及电化学性能研究 朱希平 (深圳市欧赛科技有限公司,广东深圳518109) 摘要:首次采用基于复合络合剂柠檬酸和口一环糊精的溶胶凝胶法制备了尖晶石型锰酸锂,并研究了煅烧 温度对材料电化学性能的影响。电化学性能表明,700 ̄C煅烧制备的材料具有优异的倍率和循环性能。在3 C 电流下此材料的首次和第200次放电比容量分别为102 mAh/g和9O.8 mAh/g,容量保持率为89%。 关键词:锂离子电池;正极材料;溶胶凝胶法;锰酸锂 中图分类号:0646 文献标识码:A 文章编号:1009—0312(2012)03—0083—05 锂离子电池具有工作电压高、比能量大、自放电率小、循环寿命长、无记忆效应、绿色环保等优 点,在便携式电子产品方面得到了广泛的应用,同时也是动力电池的首选产品。目前锂离子电池正极使 用的材料主要是钴酸锂(LiCoO ),但是由于co资源缺乏,导致LiCoO:价格昂贵;另外,钴元素有毒, 这些缺陷了其更大规模的应用。而作为锂离子电池正极材料的尖晶石型锰酸锂(LiMn O )具有无 毒、能量密度高、制备简单、锰来源广泛、成本低等优势,被认为是最具有应用前景的锂离子电池正极 材料之一,尤其在动力电池上的应用,因而尖晶石型LiMn O 已经被研究者广泛的研究 l J。 目前已有各种各样的方法来制备尖晶石型LiMn O ,如高温固相法 法¨ ]、熔融盐法 ”]、燃烧法 H]、溶胶一凝胶法 、固相配位法 、微波 、水热法H 等。制备方法众多,但不易制出电化 学性能优异的材料。其中,溶胶一凝胶法可以使原料达到原子级水平的混合,高温烧结时离子所需扩散 路径短,可以在较低的温度下得到所需的材料,而且得到的物相纯度高、均匀性好、比表面积大,因此 用此种方法制备的尖晶石型LiMn:0 放电比容量较高,循环性能较好。但绝大多数文献报道的用溶胶一 凝胶方法合成这种材料时采用的是柠檬酸等单一络合剂。 本文采用复合有机物作为络合剂合成尖晶石型LiMn:O ,特别是基于复合络合剂柠檬酸和卢一环糊 精的溶胶凝胶法制备尖晶石型LiMn O 的报道还没有,本研究采用基于复合络合剂的溶胶凝胶法制备了 电化学性能良好的尖晶石型LiMn O 正极材料。 1 实验部分 1.1 主要试剂 二水合乙酸锂,四水合乙酸锰,柠檬酸,B一环糊精,氨水,均为分析纯;实验用水为去离子水。 1.2 LiMn20 粉末的制备 将化学计量比Li:Mn=1:2的二水合乙酸锂和四水合乙酸锰在机械搅拌下溶于200 mL去离子水, 然后加入适量的 一环糊精,搅拌得到溶液A。将与 一环糊精的质量相当的柠檬酸溶于40 mL去离子 水中得到溶液B,剧烈搅拌下将溶液B滴加到溶液A中。滴加完毕,用氨水调节溶液pH值为7。接着 将溶液转移到80cc的水浴中加热搅拌使溶液转变为溶胶,将水蒸发得到凝胶。将凝胶置于真空干燥箱 中于120"C干燥12 h得到干凝胶。干凝胶置于马弗炉中于350 ̄C预烧6 h,650℃一750℃煅烧12 h,研磨 得到最终产品,所得三种样品分别标记为样T650、WOO和T750。 1.3模拟电池的制作 收稿日期:2011—12—20 作者简介:朱希平(1963一),男,黑龙江齐齐哈尔人,硕士,主要从事电化学领域研究。 84 东莞理工学院学报 2012生 集流体的预处理:将裁剪过的铝片分别用0.1 M的氢氧化钠(NaOH)溶液和0.1 M的草酸 (H:C O )溶液超声波清洗10 min,120 ̄C真空干燥2 h、称量待用。 将实验所得尖晶石型LiMn:0 粉末、乙炔黑、粘结剂(聚偏氟乙烯PVDF)按照85:10:5的质量比 与适量的N一甲基吡咯烷酮混合均匀得到浆料,并将其涂覆在预处理过的铝片上,120 ̄C真空干燥12 h、 压实、称量得到电极片。模拟电池的装配在充满高纯氩气的手套箱中进行,金属锂片为对电极和和参比 电极,聚丙烯微孔膜(Celgard2320)为隔膜,1 M LiPF 的EC+DMC(体积比为1:1,EC:Ethylene car— bonate,DMC:Dimethyl carbonate)为电解液。具体的操作为:在负极电池壳上依次加上弹簧片、垫片、 锂片、隔膜,在隔膜上滴加电解液,将涂有活性物质的电极片放在隔膜上,最后盖上正极电池壳封装。 1.4模拟电池的测试 电池的充放电测试在力兴测试柜上进行,电压范围为3.5~4.3 V,电流大小采用不同的倍率(1C =148 mAh/g)。电池的循环伏安和交流阻抗测试在电化学工作站(Gamry Instrument model PCI 4—750) 上进行,循环伏安测试的电势范围为3.5~4.3 V,扫描速率为0.1 mV/s;交流阻抗的测试频率范围为 10 mHz~100 kHz,交流信号幅度为5 mV。 2 结果与讨论 图1是在不同煅烧温度下制备的三个样品(样T650、T700和T750)在0.2 C电流下的充放电曲线 图。从图中可以看出在三个样品的充电曲线和放电曲线上分别有两个平台,这是尖晶石型LiMn 0 典型 的电化学反应特征。其中,样T700具有最长的充放电曲线,样T750具有最短的充放电曲线。样T700 的放电比容量为109 mAh/g,样T750的放电比容量仅有100 mAh/g,样T650的放电比容量居中为 102.7 mAh/g。750 ̄C煅烧制备的材料的放电比容量最低,这可能与温度过高,材料结晶度过高,材料 颗粒急剧生长不利于材料的容量发挥有关;650oC制备的材料的容量较750℃的样稍高可能与温度较低 材料颗粒较小有关,但是650oC的样的放电比容量又较700oC的样低,可能与温度低材料结晶不完善有 关,所以用此种方法制备尖晶石型LiMn O 的最佳温度为700oC。 比容量/(mAh.g ) 图1 不同煅烧温度下制备的三种尖晶石型LiMn204样品(样3"650、3"700和"1750) 在0.2 C电流下的充放电曲线图(电压范围为3.5—4.3 V) 图2为不同煅烧温度下制备的三种尖晶石型LiMn:0 样品(样T650、T700和T750)在0.1 mV/s 扫描速率下的循环伏安图,扫描电势范围为3.5~4.3 V。从图中可以看出每个样品都有两个氧化峰与 相应的两个还原峰,这与样品充放电曲线上出现的两个充电平台和两个放电平台相对应。其中样T700 的两个氧化峰分别位于4.03 V和4.16 V,两个还原峰分别位于3.96 V和4.09 V,相应的氧化峰和还原 峰之间的电势差为0.07 V;样T750的两个氧化峰分别位于4.O6 V和4.19 V,两个还原峰分别位于 第3期 朱希平:锂离子电池正极材料尖晶石型LiMn O 的制备及电化学性能研究 85 3.93 v和4.06 V,相应的氧化和还原峰之间的电势差高达0.13 V,从中可知样T700的电化学可逆性远 远高于样T750。另外,样T-/00的氧化还原峰比样T-/50和T650的尖锐,同时样T700的氧化还原峰的 峰面积比样I-/50和T650的大,表明样T700的容量比样T750和T650的大,这和充放电的结果一致。 螽 电辨,V 图2为不同煅烧温度下制备的三种尖晶石型LiMn2O4样品(样T650、TT00和T750) 在0.1 mV/s扫描速率下的循环伏安图(扫描电势范围为3.5—4.3 V) 图3为不同煅烧温度下制备的三种尖晶石型LiMn 0 样品(样T650、T700和T750)在3 C电流下 的循环性能图。样T700在3 C电流下的首次和第200次放电比容量分别为102 mAh/g和9O.8 mAh/g, 容量保持率为89%,材料表现出良好的循环性能。样T650在3 c电流下最高放电比容量为100 mAh/g, 200次时仅为84.1 mAh/g。而样T750在3 c电流下的放电比容量仅有80 mAh/g左右。样T700的电化 学性能最好,可能与温度适中,材料结晶完善,同时材料颗粒大小适中有利于锂离子的脱嵌有关。 ∞ 目 皿瞄】 j肄 丑 循环次数 图3不同煅烧温度下制备的三种尖晶石型LiMn2O4样品(样T650、1"700和T75O)在3 C电流下的循环性能图 图4(a)为不同煅烧温度下制备的三种尖晶石型LiMn O 样品(样T650、T700和T750)活化之 后的交流阻抗图。三个样的交流阻抗谱图具有相似的特征,可分为三个部分:在高频区有一个非常微弱 的小半圆,在中频处有一个较大的半圆,在低频处为一条斜线。锂离子在表面膜中迁移对应于高频区的 半圆,锂离子在表面膜和活性物质的界面发生的电子交换对应于中频处的半圆,而锂离子在固相中的扩 散与累积则与低频处的斜线有关。图4(b)是样T650、T700和T750交流阻抗图的模拟电路图。其中 R 为电解质溶液阻抗,R 为表面膜电阻,R 为电荷转移阻抗,C 为表面膜电容,C 为双电层电容, 东莞理工学院学报 2012正 z 为Warburg阻抗。其中样T700的电荷转移阻抗最小,小的电荷转移阻抗有利于材料的电化学性能。 7000 6000 5000 4000 c: ■3000 ● 2000 l00() () Z”/() (a) C Cd Rs Rct Zw (b) 图4 (a)不同煅烧温度下制备的三种尖晶石型LiMn204样品(样"1"650、"1"700和T75O)活化之后的交流阻抗图 (b)样3"650、T700和1’750交流阻抗图的模拟电路图 3 结语 用基于复合络合剂柠檬酸和 一环糊精的溶胶凝胶法在不同的煅烧温度下制备出尖晶石型LiMn:O , 其中在700 ̄C煅烧制备的材料表现出良好的电化学可逆性,优异的倍率和循环性能,同时表现出小的电 荷转移阻抗。所以采用此种方法制备尖晶石型LiMn 0 的最佳煅烧温度为700 ̄C。 参考文献 Son J,Kim H.New investigation offluorine—substituted spinel LiMn2O4一 F by using sol—gel process[J].J Power Sources,2005,147(1/ 2):220—226. 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Preparati9n and Electrochemical Performance of Spinel LiMn204 as Cathode Material for Lithium・ion Batteries ZHU Xi-ping (Shenzhen O’cell Technology Co.Ltd.,Shenzhen 518109,China) Abstract Spinel LiMn2 O4 has been firstly synthesized by a sol—gel method based oft composite chelating reagents of citric acid and p—cyclodextrin,and the effects of calcination temperatures on the electrochemical performance of the LiMn2 O4 has also been investigated.The electrochemical results indicate that the spinel LiMn2 O4 synthesized at 700%exhibits good rate capability and cy— clic performance.It is 102 mAh/g and 90.8 mAh/g that are delivered at 3 C in the 1 st and 200th cycles,respectively,with the re— tention of 89% Key words lithium—ion batteries;cathode material;sol—gel method;LiMn2 O4 

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