鋰離子電池正極材料Li1.2Mn0.55N i0.15M g0.1O2的研究*

吳永新,董哲，鄧超

（哈爾濱師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，黑龍江哈爾濱150025）

科研與開發(fā)

鋰離子電池正極材料Li1.2Mn0.55N i0.15M g0.1O2的研究*

吳永新,董哲，鄧超*

（哈爾濱師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，黑龍江哈爾濱150025）

采用碳酸鹽沉淀法制備材料Li1.2Mn0.55Ni0.15Mg0.1O2，并對(duì)材料的結(jié)構(gòu)、形貌以及電化學(xué)特征進(jìn)行了測(cè)試。XRD測(cè)試和掃描電鏡測(cè)試結(jié)果表明該材料具有良好的層狀結(jié)構(gòu)和形貌特征，電化學(xué)測(cè)試表明材料具有良好的充放電性能，循環(huán)性能，倍率性能等。

鋰離子電池；層狀結(jié)構(gòu)；電化學(xué)性能

鋰離子電池的飛速發(fā)展在近幾年來(lái)收到了廣大研究者的關(guān)注，正極材料作為電源最重要的一部分，在電化學(xué)性能方面起著舉足輕重的作用。富鋰正極材料χLi2MnO3-（1-χ）LiMO2（M=Mn,Co,Ni）（也可以寫成Li（1+χ）MO2）由于具有低成本，高電化學(xué)特性而備受廣大研究者的青睞[1,2]，成為最有希望取代市場(chǎng)化材料LiCoO2的候選者之一[3]。富鋰正極材料主要是由Li2MnO3和LiMO2形成的固溶體，具有層狀結(jié)構(gòu)，在電壓達(dá)到4.5V時(shí)，該材料脫鋰也會(huì)有一個(gè)脫氧的過(guò)程，表現(xiàn)出較高的比容量[4,5]。Li2MnO3成分也得到活化，對(duì)結(jié)構(gòu)起到了穩(wěn)定的作用[6,7]。然而，也正因如此，材料的不可逆容量損失增大，使得循環(huán)性能，倍率性能不令人滿意[8]。廣大學(xué)者們對(duì)此也進(jìn)行了大量的改性研究，而本文通過(guò)Mg摻雜對(duì)0.5 Li2MnO3-0.5LiMn0.5Ni0.5O2（也可以寫成Li1.2Mn0.55Ni0.15MgO2）進(jìn)行摻雜改性研究，合成了材料Li1.2Mn0.55Ni0.15Mg0.1O2，針對(duì)制備方法以及電化學(xué)性能的研究等方面進(jìn)行闡述。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與藥品

Bruker-axs X射線衍射儀；電池性能測(cè)試系統(tǒng)（深圳新威公司）；電子掃描電鏡測(cè)試儀（日本日立公司）；磁力反應(yīng)釜（鞏義予華公司）。

MnSO4,NiSO4,MgO,Na2CO3,NH3·H2O均為分析純。

1.2 正極材料Li1.2Mn0.55Ni0.15Mg0.1O2的制備

采用共沉淀法用MnSO4和NiSO4溶于去離子水中，配成一定濃度的溶液，在50℃溫度下和等濃度的Na2CO3溶液一起加入到反應(yīng)釜中，磁力攪拌12h，緩慢滴加NH·3H2O控制pH值為8.5左右，經(jīng)過(guò)濾、洗滌、干燥、預(yù)燒，然后再與一定計(jì)量比的LiOH·H2O和MgO充分混合、研磨，800℃的高溫下煅燒8h制成材料Li1.2Mn0.55Ni0.15Mg0.1O2。

1.3 材料的表征

采用德國(guó)X射線衍射儀對(duì)該材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行X射線測(cè)試分析，采用日本掃描電子顯微鏡對(duì)材料進(jìn)行其形貌分析。

1.4 電極制備

將制得的正極活性材料、乙炔黑和聚偏氟乙烯（PVDF）按照質(zhì)量比為8∶1∶1溶于適量的溶劑N, N-二甲基吡咯烷酮（NMP）中，磁力攪拌器中均勻攪拌調(diào)成膏糊狀，涂在鋁箔上，在真空箱中60℃條件下烘干，沖成小圓片，形成正極片，在油壓機(jī)下壓實(shí)。然后以鋰片為負(fù)極，以LiPF6/EC+DMC+EMC為電解液，在充滿Ar的手套箱中組裝成紐扣式電池。

1.5 電化學(xué)性能測(cè)試

將制得的紐扣式電池放在放在BTS測(cè)試系統(tǒng)上以2.0～4.6V的電壓范圍內(nèi)，20mA·g-1的電流條件下進(jìn)行充放電測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 材料結(jié)構(gòu)分析

圖1 材料Li1.2Mn0.55Ni0.15Mg0.1O2的XRD圖譜Fig.1 XRD pattern of Li Mn Ni Mg O composite1.20.550.150.12

由圖1可見(jiàn)，明顯的（003）、（104）、（101）、（102/006）、（108/110）、（105）、（107）和（113）衍射峰，可以表明該材料具有α-NaFeO4層狀結(jié)構(gòu)。雙峰（102/006）和（108/110）分裂比較明顯，表現(xiàn)出層狀結(jié)構(gòu)較為良好。

2.2 材料的形貌分析

圖2 材料Li1.2Mn0.55Ni0.15Mg0.1O2的SEM圖Fig.2 SEM images of Li1.2Mn0.55Ni0.15Mg0.1O2composite

由圖2可見(jiàn)，材料的表面比較均勻，表現(xiàn)出球形結(jié)構(gòu)，沒(méi)有明顯的團(tuán)聚現(xiàn)象，有利于Li+的脫嵌，這與材料良好的電化學(xué)特性是分不開的。

2.3 首次充放電曲線

圖3為室溫下，電壓為2.0～4.6V，電流密度為20mAh·g-1的條件下測(cè)得的首次充放電曲線。

圖3 材料Li1.2Mn0.55Ni0.15Mg0.1O2的首次充放電曲線圖Fig.3 First charge/discharge curve of Li1.2Mn0.55Ni0.15Mg0.1O2composite

由圖3可見(jiàn)，當(dāng)電壓達(dá)到4.4V時(shí)有一個(gè)明顯的充電平臺(tái)。在該測(cè)試條件下，首次充電比容量可達(dá)到267mAh·g-1，放電比容量達(dá)到158mAh·g-1。

2.4 循環(huán)性能測(cè)試

圖4為室溫下在20mA·g-1的電流下測(cè)得的循環(huán)性能。

圖4 材料Li1.2Mn0.55Ni0.15Mg0.1O2的循環(huán)性能測(cè)試圖Fig.4 Cycling performance of Li1.2Mn0.55Ni0.15Mg0.1O2composite

由圖4可知，隨著充放電循環(huán)次數(shù)的增加，放電比容量逐漸下降。材料在循環(huán)60圈后，放電比容量仍可達(dá)到113mAh·g-1，保持率大概為98%，表明該材料的循環(huán)性能特別優(yōu)秀。

2.5 倍率性能測(cè)試

圖5是在室溫，電壓為2.0～4.6V的條件下測(cè)得的不同倍率的性能測(cè)試。

圖5 材料Li1.2Mn0.55Ni0.15Mg0.1O2的倍率性能測(cè)試圖Fig.5 Rate capacity of Li1.2Mn0.55Ni0.15Mg0.1O2composite

從圖5中可以看出，隨著倍率的增大，放電比容量在逐漸的減小。當(dāng)倍率達(dá)到5C時(shí)，放電比容量仍可達(dá)到65mAh·g-1，這可以說(shuō)明，該材料在高放電倍率下電化學(xué)性能非常好，這與其良好的結(jié)構(gòu)和形貌也是一致的。

3 結(jié)論

本文介紹了材料Li1.2Mn0.55Ni0.15Mg0.1O2的制備方法，結(jié)構(gòu)形貌測(cè)試及電化學(xué)性能。通過(guò)結(jié)構(gòu)XRD測(cè)試可知該材料具有良好的層狀結(jié)構(gòu)，掃描電鏡測(cè)試表明材料具有均勻的層狀結(jié)構(gòu)。電化學(xué)性能測(cè)試表明材料首次充放電容量非常高，循環(huán)性能比較好，高倍率性能比較好。

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［7］JunWang,Bao Qiu,Hailiang Cao,et al.Electrochemicalproperties of 0.6Li［Li1/3Mn1/3］O2-0.4LiNixMnyCo1-x-yO2cathode materials for lithium-ion batteries［J］.Power Source,2012（218）:128-133P.

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Research of L i1.2M n0.55Ni0.15M g0.1O2as cathodematerials for lithium ion batteries*

WU Yong-xin，DONG Zhe，DENG Chao*
（College of Chemistry and Chemical Ergineering,Harbin Normal University,Harbin 150025，China）

The cathode materials Li1.2Mn0.55Ni0.15Mg0.1O2was prepared by means of co-precipitation and its structure,morphology and electrochemical behavior were disscussed.X-ray photoelectron spectroscopy results suggested that excellent layered structure.XRD and SEM tests exhibits that the material and electrochemical texts showed that the higher first charge and discharge capacities,excellent cycling performance and rate capacity.

lithium-ion battery；layered structure；electrochemistry properties

TM91

A

1002-1124（2014）07-0001-03

2014-04-10

黑龍江省普通高等學(xué)校新世紀(jì)人才支持計(jì)劃（No.1253-NC ET-012）

吳永新（1987-），男，內(nèi)蒙古赤峰人，在讀碩士研究生，研究方向：電化學(xué)。

導(dǎo)師簡(jiǎn)介：鄧超（1978-），女，教授，博士，研究方向：電化學(xué)。