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表面包覆对富锂锰基材料循环稳定性影响研究 ① 殷春梅, 郭 忻, 周春仙, 夏朝阳, 廖达前, 习小明, 肖可颂, 陈晓青 (长沙矿冶研究院有限责任公司,湖南 长沙 410012) 摘 要 采用 TiO2和 Al2O3对富锂锰基材料 Li[Li0.2Ni0.13Co0.13Mn0.54]O2进行表面包覆改性,研究了表面包覆对富锂锰基材料循环 过程中放电容量和电压的影响。 结果表明,Al2O3包覆富锂锰基材料的放电电压下降较缓慢,而 TiO2包覆富锂锰基材料的放电容 量下降较缓慢;表面包覆后富锂锰基材料循环稳定性的变化与材料微观结构形貌相关性较小。 关键词 锂离子电池; 正极材料; 富锂锰基材料; TiO2; Al2O3; 表面包覆; 循环稳定性 中图分类号 TM912文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2016.03.025 文章编号 0253-6099(2016)03-0094-04 Impacts of Surface Coating on Cycle Stability of Li⁃rich Manganese⁃based Material YIN Chun⁃mei, GUO Xin, ZHOU Chun⁃xian, XIA Chao⁃yang, LIAO Da⁃qian, XI Xiao⁃ming, XIAO Ke⁃song, CHEN Xiao⁃qing (Changsha Research Institute of Mining and Metallurgy Co Ltd,Changsha 410012, Hunan, China) Abstract The Li⁃rich manganese⁃based material Li[Li0.2Ni0.13Co0.13Mn0.54]O2was modified by being coated with TiO2or Al2O3. The impacts of the coatings on the discharge capacity and voltage drop of the material during cycle process were studied. The results showed that the discharge voltage of the material dropped slowly when coated with Al2O3, while the discharge capacity decreased slowly with the TiO2coating. The change in cycle stability was little related to the microstructure and morphology of the material. Key words lithium ion battery; cathode material; Li⁃rich manganese⁃based material; TiO2; Al2O3; surface coating; cycle stability 锂离子电池具有比能量高、绿色环保和无记忆效 应等突出优点,被广泛应用于移动电源、电动汽车和智 能电网储能等领域[1]。 锂离子电池总能量密度取决 于正极材料的能量密度,因此发展高比能正极材料是 锂离子电池持续发展的关键。 有报道指出,结构为 xLi2Mn O3(1-x)LiMO2(M=MnyNizCo1-y-z, 0≤y≤1, 0≤z≤1, 0≤y+z≤1)的富锂锰基材料首次放电比容 量高达 300 mAh/ g,该材料还具有价格低廉、热稳定性 好等优点,因此,富锂锰基材料成为目前锂离子电池正 极材料研究领域的热点[2-4]。 但是,富锂锰基材料仍 然在循环稳定性方面存在严重不足,主要表现在两个 方面① 多次循环后材料的放电容量衰减;② 多次循 环后材料的充放电电压下降[5]。 富锂锰基材料循环稳定性差与材料首次充电后形 成的晶格缺陷和元素价态变化有关[6-7]。 表面包覆可 减小富锂锰基材料与有机电解液间的接触面积,降低界 面副反应,并可保存首次充电后晶格缺陷的理化状态; 因此,表面包覆方法可有效抑制富锂锰基材料中晶格缺 陷和锰元素价态变化等因素的影响,预期可有效提升富 锂锰基材料循环稳定性[8]。 本文采用 TiO2和 Al2O3对 合成的富锂锰基材料 Li[Li0.2Ni0.13Co0.13Mn0.54]O2进行 表面包覆,研究了表面包覆后材料的形貌、充放电性能 和交流阻抗变化; 并根据实验结果,探讨 TiO2和 Al2O3对富锂锰基材料循环稳定性影响的内在机制。 1 实 验 1.1 富锂锰基材料 Li[Li0.2Ni0.13Co0.13Mn0.54]O2制备 称取一定量的 NiSO4、Mn(SO4)2、CoSO4溶于去离 子水中形成混合溶液,然后以 NaOH 为沉淀剂,将其 缓慢加入混合溶液中,搅拌蒸干并经历一定热处理过 程,得到前驱体;将前驱体与一定量的 Li2CO3混合,在 900 ℃、N2保护气氛下烧结 10 h,烧结过程中 N2流量 控制为 10 mL/ min,升温速率控制为 2 ℃ / min,降温速 率控制为 3 ℃ / min。 降温后得到的产物即为富锂锰基 ①收稿日期 2015-12-23 基金项目 转制科研院所创新能力专项经费(2014EG113173);国家自然科学基金(51474037) 作者简介 殷春梅(1976-),女,湖南邵阳人,工程师,主要从事电源材料的电性能检测工作。 第 36 卷第 3 期 2016 年 06 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.36 №3 June 2016 材料 Li[Li0.2Ni0.13Co0.13Mn0.54]O2。 1.2 TiO2包覆富锂锰基材料制备 称取 10 g 无水乙醇和 0.5 g 醋酸混合均匀,滴加 0.21 g 钛酸四丁酯于上述溶液,搅拌至溶液呈现溶胶 状。 然后将 10 g 富锂锰基体材料加入其中,搅拌至浆 料状,再将其置于 65 ℃烘箱中烘干,烘干后的样品置 于马弗炉中烧结,烧结温度为 600 ℃,烧结时间 6 h。 烧结后得到的产品即为 TiO2包覆富锂锰基材料。 1.3 Al2O3包覆富锂锰基材料制备 称取 10 g 甲苯,将 0.2 g 异丙醇铝加入其中,搅拌 至溶液呈现溶胶状,将 10 g 富锂锰基体材料加入其 中,搅拌至浆料状,再将其置于 65 ℃烘箱中烘干,然后 在马弗炉中烧结,烧结温度为 600 ℃,烧结时间 6 h。 烧结后得到的产品即为 Al2O3包覆富锂锰基材料。 1.4 产品性能表征 采用扫描电子显微镜(SEM-8001)研究富锂锰基 材料粒径及微观形貌变化。 采用扣式电池表征材料的 电化学性能。 扣式电池工作电极为富锂锰基材料,对 电极和参比电极为锂片。 采用德国产多功能电化学分 析仪进行交流阻抗测试,主要分析循环过程中材料电 化学反应电阻和 SEI 膜阻变化;交流阻抗测试选用的 振幅为5 mV,频率范围为0.01~100000 Hz。 采用武汉 蓝电公司生产的充放电测试仪分析材料循环充放电 性能。 2 实验结果与讨论 2.1 表面包覆后材料形貌 制备得到的 TiO2和 Al2O3包覆富锂锰基材料 SEM 图谱如图 1 和图 2 所示。 图 1 TiO2表面包覆富锂锰基材料 SEM 图 图 2 Al2O3表面包覆富锂锰基材料 SEM 图 由图 1~2 可以看出,两种材料中,富锂锰基材料 基体的一次颗粒均为多面体型,晶粒尺寸约为 200 ~ 500 nm;二次颗粒为球形,尺寸约为 5~10 μm。 一次 颗粒纳米结构有助于增加材料电化学反应活性面积和 缩短锂离子扩散路径,因而有助于材料比容量和倍率 性能提升;二次颗粒球状结构有助于提高材料在电池 制作阶段的加工性能。 TiO2和 Al2O3表面包覆后,富 锂锰基材料基体的微观结构和颗粒尺寸没有显著改变。 TiO2和 Al2O3以圆球形颗粒状附着在富锂锰基材料二 次颗粒表面,包覆材料的粒径大小约为 100~500 nm。 TiO2和 Al2O3表面包覆可减小活性材料与电解液间的 接触面积,阻止材料与电解液间副反应的发生,从而使 材料循环稳定性得到显著提高。 2.2 材料充放电性能和循环稳定性 图 3 示出了 Al2O3和 TiO2包覆富锂锰基材料在 0.2C电流下的循环充放电性能。 首次充电过程中,两 种材料均出现两个充电平台,分别对应 Ni2+/ +4和 Co3+/ +4 的氧化以及材料中 Li2O 的脱出;从第 2 次循环开始, 两种材料充电过程中只出现一个充电平台,表明 Li2O 的脱出在第一次充电中已全部完成。 放电过程中,两 种材料均只出现一个放电平台,对应 Ni4+/ +3和 Co4+/ +3 的还原。 Al2O3和 TiO2包覆富锂锰基材料的首次充电 容量分别为 280 mAh/ g 和 240 mAh/ g,而首次充放电 效率分别为 62.5%和 68.2%。 94mAh g-1 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 500100150200250300 V 94mAh g-1 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 500100150200250 V a b 2* 10* 10* 2* 1* 1* 2*10* 30* 30* 10* 2* 1* 30* 30* 1* 图 3 TiO2和 Al2O3包覆富锂锰基材料的充放电循环性能 (a) Al2O3包覆; (b) TiO2包覆 为进一步明确两种材料循环过程中的容量和电压 59第 3 期殷春梅等 表面包覆对富锂锰基材料循环稳定性影响研究 变化规律,根据图 3 实验结果作出了相应的容量和放 电中压图,如图 4 和图 5 所示。 /*; 200 190 180 170 160 150 501015202530 94 mAh g-1 /*; 200 190 180 170 160 150 501015202530 94 mAh g-1 b a 图 4 TiO2和 Al2O3包覆富锂锰基材料循环过程中容量变化 (a) Al2O3包覆; (b) TiO2包覆 /*; 3.75 3.65 3.55 3.45 3.35 501015202530 V /*; 3.75 3.65 3.55 3.45 3.35 3.25 501015202530 V a b 图5 TiO2和 Al2O3包覆富锂锰基材料循环过程中放电中压变化 (a) Al2O3包覆; (b) TiO2包覆 Al2O3包覆富锂锰基材料首次循环的放电中压为 3.72 V,第 30 周循环的放电中压为 3.4 V。 首次循环到 第 3 个循环,材料放电容量呈递增趋势,但后续循环中, 材料放电容量随循环数增加而缓慢下降,第 30 周循环 的放电容量为 170 mAh/ g, 略低于首次循环放电容量。 TiO2包覆富锂锰基材料首次循环放电中压为 3.7 V, 第 30 周循环放电中压为 3.3 V。 首次到第 6 个循环, 材料放电容量随循环数增加而缓慢增加,循环数高于 6 后,材料放电容量在 190 mAh/ g 上下波动,第 30 周 循环的放电容量约为 190 mAh/ g。 对比两种材料的循环性能,Al2O3包覆富锂锰基 材料的放电中压下降缓慢,而 TiO2包覆富锂锰基材料 的放电容量下降较缓慢;同时,TiO2包覆富锂锰基材 料的整体充放电容量优于 Al2O3包覆富锂锰基材料。 2.3 循环过程中材料形貌变化 锂离子电池电化学性能与材料微观形貌密切相关。 充放电过程中,材料粒径大小和比表面积容易发生变 化,导致体系活性反应面积下降及电化学性能衰减。 图 6 和图 7 示出了循环过程中 Al2O3包覆和 TiO2包覆富 锂锰基材料的微观结构形貌变化。 相比未进行充放电 实验的材料(如图 1 和图 2 所示),多次循环后材料微观 结构形貌变化较小;两种材料的富锂锰基体材料二次颗 粒粒径约为 5~10 μm,一次颗粒粒径约为 200 ~ 500 nm;包覆材料(Al2O3和 TiO2颗粒)的粒径约为 200~ 500 nm;包覆材料紧密附着在富锂锰基体材料上。 图 6 Al2O3包覆富锂锰基材料 SEM 形貌 (a) 20 周循环后; (b) 30 周循环后 图 7 TiO2包覆富锂锰基材料 SEM 形貌 (a) 20 周循环后; (b) 30 周循环后 2.4 循环过程中材料阻抗变化 为探索 Al2O3和 TiO2包覆富锂锰基材料循环过 程中的阻抗变化,对进行 1,10,30 次循环后的两种材 料的扣式电池进行了交流阻抗测试,结果如图 8 所示。 69矿 冶 工 程第 36 卷 通常富锂锰基材料交流阻抗图谱由两个半圆和一段直 线组成,高频区圆弧对应材料 SEI 膜的性能;中频区圆 弧对应材料电荷传递过程。 采用图 9 所示等效电路图 对交流阻抗图谱进行拟合。 图 9 中 R0为电解液电阻, Rf为 SEI 膜电阻,CPEf为 SEI 膜常相位原件,Rct为电 荷传递电阻,CPEct为电荷传递过程常相位原件。 Z ′ 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 500010001500200025003000 -Z″ Z ′ 4000 3000 2000 1000 0 500010001500200025003000 -Z″ /1* /5* /20* /30* /1* /10* /20* /30* a b 图 8 Al2O3和 TiO2包覆富锂锰基材料循环过程中阻抗图 (a) Al2O3包覆; (b) TiO2包覆 CPEf Rf ZwRe CPEct Rct 图 9 扣式电池正极等效电路图 表 1 列出了拟合得到的 TiO2和 Al2O3表面包覆富 锂锰材料在进行不同次数充放电循环后的电化学参数。 由拟合数据可看出,Al2O3表面包覆富锂锰材料的电 化学参数随循环次数增加变化较小。 从第 1 到第 30 个 表 1 两种材料循环过程中的电化学参数变化 循环 次数 Al2O3包覆电阻/ ΩTiO2包覆电阻/ Ω SEI 膜电化学反应SEI 膜电化学反应 17633 0126122 351 52862 614 107592 986 207762 7858232 846 307682 9584513 012 周期,材料的 SEI 膜阻均在 760 Ω 上下波动,而电化学 反应电阻则在 3 000 Ω 上下波动。 TiO2包覆富锂锰基 材料的 SEI 膜阻和电化学反应电阻在循环过程中则变 化较大。 图 3~5 的实验结果表明,循环过程中,Al2O3包覆 富锂锰基材料的放电电压下降缓慢,而 TiO2包覆富锂 锰基材料的容量下降较缓慢。 图 6~7 的实验结果表 明,30 周循环内,Al2O3和 TiO2包覆富锂锰基材料微 观形貌变化较小,因此其对两种材料放电容量和电压 的影响可忽略。 两种材料放电电压的变化差异可从交 流阻抗实验结果得到解释循环过程中的阻抗大小一 定程度上可反映出材料的晶体结构变化,而富锂锰基 材料的晶体结构变化又直接决定着材料循环过程中的 放电电压衰减;交流阻抗测试结果表明,循环过程中, Al2O3包覆富锂锰基材料的阻抗变化要远小于 TiO2包 覆富锂锰基材料,因此其循环过程中的放电电压衰减 较缓慢。 Al2O3和 TiO2表面包覆对富锂锰基材料循环 容量的影响则可能与表面包覆后,材料晶相结构变化、 Mn 元素溶解速度变化、SEI 膜特性变化和双电层特性 变化等因素相关。 3 结 论 富锂锰基材料是目前锂离子电池正极材料领域的研 究热点,但在循环稳定性方面存在不足。 本文采用 TiO2 和 Al2O3对富锂锰基材料 Li[Li0.2Ni0.13Co0.13Mn0.54]O2进 行表面包覆改性,研究结果表明,Al2O3包覆可延缓富 锂锰基材料循环过程中的放电压衰减,而 TiO2包覆则 可降低富锂锰基材料循环过程的放电容量衰降速率。 参考文献 [1] Xiaodong Xu, Sanghan Lee, Sookyung Jeong,et al. 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