張會(huì)雙,高延曉,王秋嫻,李向南,劉文鳳1,,楊書(shū)廷,4
(1.河南師范大學(xué)物理學(xué)院,新鄉(xiāng)453007;2.河南師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,新鄉(xiāng)453007;3.動(dòng)力電源及關(guān)鍵材料河南省協(xié)同創(chuàng)新中心,新鄉(xiāng)453007;4.河南電池研究院有限公司,新鄉(xiāng)453007)
隨著小型電子設(shè)備和電動(dòng)汽車行業(yè)的快速發(fā)展,研究開(kāi)發(fā)高能量密度、高安全性和低成本的新型鋰離子電池迫在眉睫[1~3].因此,具有較高比容量及較低成本等優(yōu)點(diǎn)的α-NaFeO2層狀結(jié)構(gòu)高鎳三元正極材料LiNi1-x-yCoxMnyO2(0<x+y≤0.5)引起了廣泛關(guān)注[4~6].其中,LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2(NCM622)正極材料具有高容量、良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及合成成本相對(duì)較低等優(yōu)勢(shì),成為該類材料的典型代表.
目前,NCM622正極材料在合成和使用過(guò)程中仍存在問(wèn)題,如易發(fā)生Li/Ni混排,材料表面堿含量過(guò)高,材料充電時(shí)易造成表面過(guò)度脫鋰導(dǎo)致表面結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定,長(zhǎng)循環(huán)過(guò)程中由于顆粒體積膨脹易發(fā)生一次粒子的結(jié)構(gòu)應(yīng)變和導(dǎo)致二次顆粒的結(jié)構(gòu)坍塌等[1,7~10],從而導(dǎo)致材料的循環(huán)性能、安全性能及儲(chǔ)存性能較差,阻礙了其在高端動(dòng)力電池領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用.NCM622正極材料的合成方法主要有共沉淀法[11,12]、固態(tài)法[13]、噴霧-干燥方法[14]、燃燒法[15]、溶膠-凝膠法[16]和水熱法[9,17]等.其中,水熱法合成的材料顆粒大小易于控制,晶體發(fā)育較完整,且分布均勻,純度高,材料位錯(cuò)密度低,制備過(guò)程簡(jiǎn)單,是一種能有效降低Li/Ni混排、改善材料電化學(xué)性能的方法.
研究表明,有機(jī)陽(yáng)離子表面活性劑如十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)等已被用在水/溶劑熱合成過(guò)程中,輔助合成了多種鋰離子電池正極材料,其對(duì)所得粉末材料的晶體取向、粒子形態(tài)和電化學(xué)性能等特性有很大影響[17~19].如Yao等[18]采用溶劑熱法,以聚乙二醇和水為共溶劑,引入3 mmol CTAB,制備了具有團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的棒狀LiFePO4/C復(fù)合材料,發(fā)現(xiàn)CTAB具有粘附在特殊的晶體表面獲得獨(dú)特的形態(tài)和作為自組裝模板的雙功能特性.Zhou等[19]采用不同表面活性劑輔助簡(jiǎn)單的水熱處理和高溫?zé)Y(jié)制備富鋰正極材料Li[Li0.2Ni0.2Mn0.6]O2,對(duì)比發(fā)現(xiàn),CTAB輔助合成樣品的粒徑最小,分布最均勻,電化學(xué)性能優(yōu)異.Wang等[17]采用添加適量CTAB的水熱法合成了尺寸均勻結(jié)晶良好的高鎳單晶LiNi0.6Co0.2Mn0.2O2正極材料,直徑約800 nm,具有優(yōu)異的電化學(xué)性能,在不同速率下具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性.
本文借助表面活性劑CTAB對(duì)材料形貌和結(jié)構(gòu)的調(diào)控能力,采用水熱合成-高溫?zé)Y(jié)方法制備結(jié)構(gòu)完整、形貌均一、電化學(xué)性能穩(wěn)定的單晶型高鎳三元NCM622材料.探究了前驅(qū)體合成過(guò)程中加入不同量CTAB對(duì)所合成前驅(qū)體和NCM622材料的結(jié)構(gòu)、形貌及電化學(xué)性能(尤其是高低溫性能)的影響.
醋酸鎳、醋酸鈷、醋酸錳、CTAB、草酸和硝酸鋰均為分析純,購(gòu)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;乙炔黑、聚偏氟乙烯(PVDF)和N,N二甲基吡咯烷酮(NMP)均為分析純,購(gòu)自河南鋰動(dòng)電源有限公司;電解液[1 mol/L LiPF6的碳酸二甲酯(DMC)/碳酸乙烯酯(EC)(體積比1∶1)溶液]購(gòu)自河南華瑞高新材料有限公司.
STA 449F-3A-0748-M型熱分析儀(TG-DSC,德國(guó)耐馳公司);D8型X射線衍射儀(XRD)和Quantax300型X射線能譜儀(EDS,德國(guó)布魯克AXS公司);SU-8010F型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM,日本日立高新技術(shù)公司);JEM-2100型透射電子顯微鏡(TEM,日本JOEL公司);Escalab 250Xi型X射線光電子能譜儀(XPS,美國(guó)Thermo公司);CT2001A型LAND電池測(cè)試儀(武漢金諾電子有限公司);CHI 760E型電化學(xué)工作站(上海辰華儀器有限公司);BE-HL-100M8型微電腦恒溫恒濕試驗(yàn)機(jī)(東莞貝爾試驗(yàn)設(shè)備有限公司).
按化學(xué)計(jì)量比稱取醋酸鎳、醋酸鈷、醋酸錳溶解于去離子水和乙二醇(體積比1∶1)的混合溶劑中,磁力攪拌使其完全溶解至澄清溶液,量取適量準(zhǔn)備好的CTAB溶液和草酸溶液作為分散劑和沉淀劑,在高速攪拌(500 r/min)下依次滴加到澄清溶液中,控制攪拌溫度50℃下攪拌12 h,將混合溶液快速轉(zhuǎn)移至內(nèi)襯為聚四氟乙烯的反應(yīng)釜中,于200℃下反應(yīng)12 h,離心、洗滌至pH呈中性、干燥,得到前驅(qū)體沉淀.合成了加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0,1%,2%,3%)CTAB的4個(gè)前驅(qū)體.
將制得的4個(gè)前驅(qū)體分別與過(guò)量3%的硝酸鋰充分混合研磨,在空氣氣氛下于550℃預(yù)燒結(jié)4 h,取出研磨后再次在空氣氣氛下進(jìn)行二次燒結(jié):先在550℃下煅燒3 h,升溫至700℃下煅燒3 h,最后在850℃下煅燒8 h.燒結(jié)得到4個(gè)樣品,依次標(biāo)記為0 CTAB,1% CTAB,2% CTAB和3% CTAB,備用.
參照文獻(xiàn)[20,21]方法,按質(zhì)量比8∶1∶1稱取樣品、導(dǎo)電劑乙炔黑和黏結(jié)劑PVDF于瑪瑙研缽中,充分研磨后加入適量NMP溶劑,調(diào)成漿料,然后均勻涂覆在鋁箔上制備正極片;將干燥后的正極片裁切成直徑(φ)為12 mm的圓片(單個(gè)電極中樣品負(fù)載量約3~4 mg),在6 MPa壓力下壓片,作為電池工作電極,以金屬鋰片(φ=14.5 mm)作為參比電極和對(duì)電極,匹配Celgard 2400隔膜(裁切成φ=16 mm的圓片),單個(gè)電池滴加約100μL電解液,在充滿氬氣的手套箱中組裝實(shí)驗(yàn)電池.電池靜置后,進(jìn)行恒電流充放電、電化學(xué)阻抗(EIS)和循環(huán)伏安(CV)等電化學(xué)性能測(cè)試.
圖1 為未加入CTAB所制得前驅(qū)體與硝酸鋰的混合物料在空氣氣氛下的TG-DSC曲線,升溫速率為10℃/min.由TG曲線可見(jiàn),樣品在200~300℃之間有明顯失重(約49 %),對(duì)應(yīng)于DSC曲線中250℃左右的吸熱峰和298℃的放熱峰,主要是由草酸鹽分解為金屬氧化物所致;600℃左右也有明顯失重(約13.00 %),對(duì)應(yīng)DSC曲線也有明顯熱量變化,主要?dú)w為硝酸鋰的分解;在800~850℃之間,失重不明顯,但有明顯熱量變化,歸為高溫下晶體的結(jié)構(gòu)變化(如結(jié)晶)造成的,因此,選擇850℃作為高溫?zé)Y(jié)保溫溫度.
圖2 為所合成前驅(qū)體和燒結(jié)樣品的FESEM照片.對(duì)比圖2(A)~(D)前驅(qū)體的FSEM照片可見(jiàn),未加入CTAB時(shí),前驅(qū)體為粗細(xì)不均的柱狀體形貌,柱狀體輪廓較清晰,直徑在1~3μm之間,長(zhǎng)度大于 10μm;加入CTAB后,前驅(qū)體形貌明顯變化,為柱狀體與針片狀結(jié)構(gòu)的混合形貌,且隨著CTAB加入量的增多,柱狀體逐漸長(zhǎng)大變粗.原因在于CTAB的加入可以改變前驅(qū)體合成過(guò)程中的成核方式,從而改變前驅(qū)體的生長(zhǎng)機(jī)制.加入少量的CTAB時(shí),溶液中各金屬離子均勻分散,沉淀過(guò)程中大量小晶核同時(shí)沉降,致使大量針片狀結(jié)構(gòu)生成;隨著CTAB加入量的逐漸增大,CTAB逐漸形成膠束,使晶核團(tuán)聚長(zhǎng)大,當(dāng)CTAB的量達(dá)到適當(dāng)濃度(2%)時(shí),膠束引導(dǎo)形成相對(duì)尺寸均勻的柱狀體形貌;而過(guò)高濃度的CTAB將導(dǎo)致膠束局部團(tuán)聚過(guò)大或形成雙層相膠束,從而使部分柱狀體急劇長(zhǎng)大變粗[18].
Fig.1 TG-DSC curves of the precursor of 0 CTAB mixed with LiNO3
Fig.2 FSEM images of precursors of 0 CTAB(A),1% CTAB(B),2% CTAB(C)and 3% CTAB(D)and the sintered products of 0 CTAB(E),1% CTAB(F),2% CTAB(G)and 3% CTAB(H)
燒結(jié)后,4個(gè)樣品均為不規(guī)則的類球形顆粒形貌[圖2(E)~(H)].0 CTAB樣品的顆粒相對(duì)分散,顆粒粒徑在0.1~1.5μm之間;而1% CTAB樣品的顆粒尺寸明顯變小,粒徑約0.1~0.2μm;2% CTAB樣品的顆粒粒徑相對(duì)增大,約為0.5~1μm,為亞微米級(jí)顆粒;3% CTAB樣品顆粒粒徑繼續(xù)增大到1μm以上,且有明顯團(tuán)聚.透射電子顯微鏡(TEM)照片(圖S1,見(jiàn)本文支持信息)顯示,4個(gè)樣品的顆粒形貌也為不規(guī)則的類球形形貌,1% CTAB樣品的顆粒尺寸比0 CTAB樣品明顯減小,隨著CTAB量的增大,顆粒尺寸有逐步變大的趨勢(shì),與FSEM照片的結(jié)果一致.可見(jiàn),燒成樣品的顆粒尺寸在一定程度上繼承了前驅(qū)體棒狀結(jié)構(gòu)的尺寸,CTAB分散劑的加入關(guān)鍵在于調(diào)控前驅(qū)體的顆粒形貌尺寸,進(jìn)而調(diào)控?zé)Y(jié)樣品的顆粒尺寸.而2% CTAB樣品亞微米級(jí)的類球形顆粒形貌將有利于材料電化學(xué)性能的提高[1].
圖3 為前驅(qū)體的XRD譜圖.可見(jiàn)4個(gè)前驅(qū)體樣品均在18.9°,22.9°,30.3°,47.7°處有較強(qiáng)衍射峰,對(duì)應(yīng)于NiC2O4·2H2O(PDF No.25-0581)的標(biāo)準(zhǔn)衍射譜圖,而2θ=19°為CoC2O4·2H2O(PDF No.25-0250)的特征衍射峰,2θ=30.3°與MnC2O4·2H2O(PDF No.25-0544)的特征衍射峰重合,因此,4個(gè)前驅(qū)體均為含有Ni,Co和Mn 3種過(guò)渡金屬元素的草酸鹽.同時(shí)說(shuō)明在水熱過(guò)程中,醋酸鹽和草酸充分反應(yīng).
Fig.3 XRD patterns of precursors of 0 CTAB,1% CTAB,2% CTAB and 3% CTAB
圖4 為燒結(jié)樣品的XRD譜圖.由圖4(A)可見(jiàn),4個(gè)樣品的衍射峰位置均與α-NaFeO2(PDF No.87-1562)層狀結(jié)構(gòu)一致(屬R3m空間群),且未檢出雜質(zhì)峰;其中,2% CTAB樣品的(006)/(012)和(018)/(110)晶面峰的分裂最明顯,表明其形成了最有序的層狀結(jié)構(gòu)[22].通過(guò)XRD精修得到材料的晶胞參數(shù)和元素占位等信息[圖4(B)和(C),表1].精修的重均因子(Rwp)和權(quán)重因子(Rp)均小于5%,說(shuō)明擬合結(jié)果可靠性高.由表1可見(jiàn),CTAB的加入使層狀材料的a軸和c軸都有延長(zhǎng),因此c/a值也隨之變化,2% CTAB樣品的c/a值最大,說(shuō)明其具有較好的結(jié)晶度和較好的放電比容量;且2% CTAB樣品具有最低的陽(yáng)離子混排和最大的I003/I104值,預(yù)示其在循環(huán)過(guò)程中更易維持有序的層狀結(jié)構(gòu)[23].綜上可見(jiàn),水熱合成過(guò)程中,加入適量(2%)CTAB有利于抑制材料中的陽(yáng)離子(Li/Ni)混排,從而可形成完整有序的層狀結(jié)構(gòu),預(yù)示其具有較好的電化學(xué)性能.
Fig.4 XRD patterns of the four sintered products(A),rietveld refinement of 0 CTAB(B)and 2% CTAB(C)
Table 1 Rietveld refinement results of XRD data for the samples
Table 2 EDS quantitative analysis data for the samples
通過(guò)EDS測(cè)試對(duì)0 CTAB和2% CTAB樣品進(jìn)行定性和定量分析(表2),可見(jiàn),2種材料均含有Ni,Co和Mn 3種金屬元素,且元素的摩爾比均基本符合NCM622材料的成分比例.其中,2% CTAB樣品中n(Ni)/n(Co)/n(Mn)(2.90∶1∶0.90)更接近NCM622的理論比值(3∶1∶1).可見(jiàn),CTAB的加入對(duì)金屬離子的沉淀過(guò)程具有一定的調(diào)控作用.
Fig.5 XPS spectra of 2% CTAB
采用XPS測(cè)試進(jìn)一步確認(rèn)2% CTAB樣品的表面元素組成和價(jià)態(tài)(圖5).由圖5(A)可見(jiàn),Li,Ni,Co,Mn和O等元素均被檢測(cè)到.由圖5(C)可見(jiàn),O1s在528.59和530.9 eV處存在2個(gè)特征峰,分別對(duì)應(yīng)于樣品的晶格氧和樣品表面的副產(chǎn)物CO32-和OH-[24];Li1s在54.47 eV處的峰主要代表LiOH[圖5(B)];Ni2p譜中,Ni2p3/2和Ni2p1/2峰位于854.47和872.12 eV處,其結(jié)合能差約17 eV,對(duì)應(yīng)于Ni2+[圖5(D)];Co2p在779.40和794.42 eV處存在2個(gè)主峰,對(duì)應(yīng)于Co3+[圖5(E)];Mn2p譜中,Mn2p3/2和Mn2p1/2峰位于653.31和641.68 eV處,對(duì)應(yīng)于Mn4+[圖5(F)].可見(jiàn),各金屬元素均呈現(xiàn)了NCM622材料中穩(wěn)定的元素價(jià)態(tài).
Fig.6 Initial charge-discharge curves(A),cycling performances curves(B),cyclic voltammetry curves(C)and rate capability(D)of the four sintered products at 25℃
圖6 給出了4個(gè)燒結(jié)樣品的電化學(xué)性能.圖6(A)為樣品在室溫和倍率0.5C下的首次充放電曲線,電壓范圍為3.0~4.3 V.可見(jiàn),2% CTAB樣品具有最高的首次放電比容量.加入CTAB所得樣品均在3.8 V左右出現(xiàn)了一個(gè)較為平坦的充電電壓平臺(tái),2% CTAB樣品在約3.7 V處出現(xiàn)了一個(gè)較為平坦的放電電壓平臺(tái),對(duì)應(yīng)于圖6(C)的CV曲線.可見(jiàn),適量CTAB的加入有利于抑制材料極化.圖6(B)給出了4個(gè)樣品在倍率0.5C下循環(huán)6次后轉(zhuǎn)倍率1C循環(huán)至100次的循環(huán)性能.可見(jiàn),0 CTAB,1% CTAB,2% CTAB,3% CTAB樣品在倍率1C下的首次放電比容量依次為105.2,115.9,140.2和102.4 mA·h/g,循環(huán)100次后,容量保持率分別為63.2%,90.9%,88.5%和55.4%,2% CTAB具有最高的放電容量和優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性.由圖6(D)可見(jiàn),2% CTAB樣品具有優(yōu)異的常溫倍率性能,在倍率5C下,其放電比容量達(dá)97.5 mA·h/g,為初始倍率0.1C下比容量的58.6%,恢復(fù)至倍率0.1C進(jìn)行充放電,容量恢復(fù)能力達(dá)93.6%.可見(jiàn),適量CTAB(2%)的加入,有利于提高材料的放電比容量,并改善其循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能.
進(jìn)一步對(duì)燒結(jié)后樣品進(jìn)行高低溫環(huán)境下電化學(xué)性能測(cè)試(見(jiàn)圖7),電壓范圍為3.0~4.3 V.圖7(A)和(D)為4個(gè)樣品在倍率0.1C下和不同溫度環(huán)境的階梯循環(huán)圖.相同溫度下對(duì)比,2% CTAB樣品均具有最高的放電比容量,在-20,25和55℃下,首次放電比容量分別為60.3,168.5和207.2 mA·h/g.隨著溫度升高,電池發(fā)揮的放電容量逐漸升高,55℃和25℃對(duì)比,0 CTAB,1% CTAB,2%CTAB和3% CTAB 4個(gè)樣品的首次放電比容量分別增加了17.2%,16.7%,18.6%和17.5%,增幅接近[圖7(A)].55℃下倍率性能[圖7(B)]和CV測(cè)試結(jié)果[圖7(C)]顯示,2% CTAB樣品具有最好的倍率性能和較小的極化.由圖7(D)可見(jiàn),隨著溫度降低,電池的放電容量緩慢下降,在-20℃時(shí),0 CTAB,1% CTAB,2% CTAB和3% CTAB 4個(gè)樣品的首次放電比容量分別為25℃時(shí)的16.4%,30.2%,35.8%和28%,可見(jiàn)該材料對(duì)低溫環(huán)境極為敏感,CTAB的加入有效改善了材料的低溫性能,這一觀點(diǎn)由-20℃時(shí)的低溫倍率性能和CV曲線中得到進(jìn)一步的驗(yàn)證[圖7(E)和(F)],2% CTAB具有最好的低溫倍率性能和低溫容量恢復(fù)能力,CV曲線中所有電池在充放電過(guò)程中極化嚴(yán)重,2% CTAB樣品相對(duì)極化較小.
Fig.7 Cycling performance at different temperatures and at a rate of 0.1C(A,D),rate capability at 55℃(B)and-20℃(E),cyclic voltammetry curves at 55℃(C)and-20℃(F)of the four sintered products,the corresponding EIS spectra of the cell for 0 CTAB and 2% CTAB from(A)and(D)after 10 cycles at 55℃(G),25℃(H)and-20℃(I)
為了深入解析該材料在高低溫環(huán)境下的電化學(xué)反應(yīng)機(jī)理,在階梯溫度測(cè)試過(guò)程中(55,25和-20℃下10個(gè)循環(huán)結(jié)束時(shí)),對(duì)0 CTAB和2% CTAB樣品進(jìn)行EIS測(cè)試,相關(guān)測(cè)試和擬合結(jié)果如圖7(G)~(I)和表3所示.對(duì)比同一個(gè)樣品在25和55℃的阻抗譜可見(jiàn),高頻區(qū)電池的歐姆內(nèi)阻(Rs)接近,這是由于電池制備過(guò)程中使用了相同的導(dǎo)電劑和電解液(2個(gè)溫度下都保持液態(tài),具有較低的黏度)等組件材料,電池的本征電阻接近;中頻區(qū)代表的電荷轉(zhuǎn)移電阻(R1)隨溫度增高而略有增大,主要是隨著測(cè)試溫度的升高電池逐步老化引起的,至55℃時(shí),電池因更多的界面副反應(yīng)致使固體電解質(zhì)(SEI)界面膜電阻(Rp)明顯;低頻區(qū)55℃的擴(kuò)散阻抗(Wo)比25℃時(shí)也有增加,可見(jiàn)升溫至此階段電池老化程度已遠(yuǎn)大于溫度對(duì)電導(dǎo)率的改善程度.0 CTAB和2% CTAB樣品對(duì)比,除高頻區(qū)Rs阻值接近,中頻區(qū)和高頻區(qū)對(duì)應(yīng)阻值均明顯變大,可見(jiàn),0 CTAB樣品升溫過(guò)程中老化更為嚴(yán)重.對(duì)比2個(gè)樣品-20℃下的低溫阻抗譜,高頻區(qū)Rs比25和55℃明顯升高,中頻區(qū)均出現(xiàn)3個(gè)半圓,且對(duì)應(yīng)各部分阻值(Rp,R1,R2)極大,更低頻區(qū)的擴(kuò)散圖譜因測(cè)試局限未能測(cè)出.這主要是由于材料在低溫環(huán)境下,電解液的黏度升高,導(dǎo)致電解液無(wú)法充分接觸和浸潤(rùn)電極材料,致使材料的本征電阻和電荷轉(zhuǎn)移界面阻抗等不斷增大,必將導(dǎo)致電池的電化學(xué)性能快速惡化.與2% CTAB樣品相比,0 CTAB樣品的中頻區(qū)各部分阻抗明顯增大,說(shuō)明2% CTAB樣品具有的分散性較好、尺寸適中(亞微米級(jí))的顆粒形貌更有利于Li+在低溫環(huán)境下的傳導(dǎo).
Table 3 Impedance values correspond to different frequency bands of impedance spectrum fitted with different cycles of electrodes at 3.0 V
探究了前驅(qū)體合成過(guò)程中加入分散劑CTAB的量對(duì)所合成的前驅(qū)體和燒結(jié)后的NCM622材料的結(jié)構(gòu)、形貌及電化學(xué)性能的影響.結(jié)果表明,適量CTAB的加入可以有效調(diào)節(jié)樣品的形貌、尺寸和結(jié)構(gòu),改善材料的循環(huán)穩(wěn)定性和高低溫性能.加入2%的CTAB時(shí),制得樣品為亞微米類球形顆粒,具有完整有序?qū)訝罱Y(jié)構(gòu)和最佳的電化學(xué)性能,放電比容量最高,且循環(huán)穩(wěn)定性較好.該材料在室溫和倍率1C下循環(huán)100次后,容量保持率為88.5%.研究發(fā)現(xiàn),0.1C倍率充放電,-20和55℃環(huán)境條件下,材料首次放電比容量分別為60.3和207.2 mA·h/g,對(duì)比25℃容量發(fā)揮(168.5 mA·h/g)顯示,該材料對(duì)低溫環(huán)境極為敏感,為該材料的更廣泛應(yīng)用提供了有力的參考.
支持信息見(jiàn)http://www.cjcu.jlu.edu.cn/CN/10.7503/cjcu20200507.
高等學(xué)?;瘜W(xué)學(xué)報(bào)2021年3期