李建營,李紹敏,楊茂夏,趙佰慶,劉 昊
(中物院成都科學(xué)技術(shù)發(fā)展中心 中國工程物理研究院,成都 610200)
鋰離子電池廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車以及電子設(shè)備等領(lǐng)域,但是具有高能量密度、長循環(huán)壽命以及高的安全性能的鋰電池正極材料仍然面臨挑戰(zhàn)[1-2]。在眾多正極材料中,高鎳材料具有能量密度高、倍率性能好等優(yōu)點(diǎn),但目前高鎳材料存在長循環(huán)壽命差、安全性能低等問題[3-6]。表面包覆是提高高鎳材料循環(huán)性能的有效手段,包覆層可以有效抑制高鎳材料充放電過程中的相變以及表面副反應(yīng)及的發(fā)生,從而提高其電化學(xué)性能[7-9]。但是一般包覆材料由于離子/電子電導(dǎo)率差,會(huì)降低高鎳正極材料電導(dǎo)率從而導(dǎo)致電性能不佳。這在一定程度上降低了正極材料的電化學(xué)性能。導(dǎo)電包覆層因其具有較高的電導(dǎo)率因而受到人們的關(guān)注。在眾多導(dǎo)電包覆層中,有機(jī)包覆層不僅能提供良好的離子電導(dǎo)率條件,而且正極顆粒表面增加的有機(jī)表面層與電池體系中的有機(jī)電解液具有良好的相容性,增加了界面之間的接觸,提高了離子電導(dǎo)率和電子電導(dǎo)率,從而提高電化學(xué)性能[10-12]。聚苯胺(PANI)是一種良好的導(dǎo)電聚合物,具有原料易得、制備簡(jiǎn)單而且對(duì)環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。聚苯胺結(jié)構(gòu)中的H鍵可以與高鎳表面的羥基進(jìn)行靜電吸附,從而能夠均勻的包覆在富鎳材料表面。同時(shí)該包覆層可以彌補(bǔ)高鎳正極對(duì)環(huán)境中水分和二氧化碳不穩(wěn)定的缺點(diǎn)。由于PANI極易溶于N-甲基吡咯烷酮(NMP)中,且分子量越小,溶解性越好[13]。因此,通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)將小分子量的聚苯胺包覆在正極顆粒表面,可以降低因包覆層過厚造成的鋰離子脫嵌困難。本文通過聚苯胺納米點(diǎn)對(duì)高鎳LiNi0.85Co0.15Mn0.05O2(NCM)進(jìn)行表面包覆改性。經(jīng)過包覆的高鎳材料循環(huán)穩(wěn)定性得到了提高。
本文采用共沉淀法制備鎳鈷錳材料前驅(qū)體,然后采用高溫?zé)Y(jié)的方法合成正極材料。
稱取一定質(zhì)量的NiSO4和CoSO4溶于去離子水中,配置成2 mol/L的水溶液。以NaOH為沉淀劑,濃度為4 mol/L。以氨水為絡(luò)合劑。將兩種過渡金屬溶液緩慢泵入恒溫(50)反應(yīng)釜內(nèi),同時(shí)泵入沉淀劑和絡(luò)合劑??刂芇H保持在11左右,通入氮?dú)鈿夥找悦怄団掚x子被氧化。待反應(yīng)完成后,得到鎳鈷氫氧化物前驅(qū)體。取一定量的濃度為2 mol/L的MnSO4溶液,將其緩慢滴入鎳鈷前驅(qū)體懸濁中,繼續(xù)保持溫度和PH恒定。同時(shí)泵入大量空氣,使Mn2+氧化為穩(wěn)定的高價(jià)離子。反應(yīng)完成后,過濾并取出沉淀,用去離子水清洗沉淀物質(zhì)。置于高溫干燥箱120 ℃中干燥12 h。獲得黑褐色Ni0.85Co0.15Mn0.05(OH)2鎳鈷錳氫氧化物粉末。
將摩爾比為1∶1.05的Ni0.85Co0.15Mn0.05(OH)2前驅(qū)體和氫氧化鋰(LiOH·H2O)置于研缽中混合均勻。然后將混合物置于高溫?zé)Y(jié)管式爐中,通入O2,流量為250 mL/min。燒結(jié)溫度設(shè)置為預(yù)燒500 ℃保持3 h,然后升溫至780 ℃并保持8 h。
將苯胺(C6H5NH2)與過硫酸銨(APS)按照摩爾比0.8∶1的比例,分別溶解于濃度為1 mol/L的硫酸溶液中。之后將APS溶液快速導(dǎo)入酸化的苯胺溶液中。將混合溶液在 0 ℃下攪拌20 min。反應(yīng)由無色透明溶液逐漸變成藍(lán)綠色,并出現(xiàn)沉淀。然后將沉淀過濾,用蒸餾水和乙醇各洗滌3次。所得固體在80 ℃條件下烘干12 h獲得具有導(dǎo)電性的聚苯胺(PANI)。取一定質(zhì)量的PANI置于溶劑N-甲基吡咯烷酮(NMP)中超聲攪拌。待其分散溶解后加入一定質(zhì)量的高鎳正極材料,45 ℃水浴并保持3 h。然后將懸濁液進(jìn)行抽濾,獲得固體置于真空干燥箱中120 ℃真空干燥12 h,得到PANI包覆的高鎳正極材料(NCM@PANI)。實(shí)驗(yàn)中空白樣品標(biāo)記為NCM,PANI不同的包覆量質(zhì)量比分別為1%、3%和5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)分別標(biāo)記為NCM-P1,NCM-P3和NCM-P5。
材料的微觀形貌表征采用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM,FEI Inspect F50),利用紅外光譜儀(Nicolet-iS10)測(cè)定了樣品在2 200~400 cm-1范圍內(nèi)的化學(xué)結(jié)構(gòu)。材料的XRD結(jié)構(gòu)分析在X射線儀Rint-2000/Rigaku上進(jìn)行,掃面范圍為10~80°,射線源為Cu-Ka。用透射電鏡TEM(FEI Tecnai G2 F20 S-TWIN)觀察包覆層形貌。能譜儀EDS (JSM-5900 LV)分析樣品的成分和表面元素分布情況。
以高鎳正極為活性物質(zhì),導(dǎo)電劑為乙炔黑,黏結(jié)劑為聚偏氟乙烯(PVDF),按照質(zhì)量比為8∶1∶1的比例均勻分散在N-甲基吡咯烷酮(NMP)中。漿料均勻涂敷在鋁箔集流體上(厚度15 μm)。然后置于真空干燥箱中120 ℃真空干燥12 h。將極片沖切為直徑為14 mm的圓片。以金屬鋰為負(fù)極,隔膜選用Celgard 2400,電解液按照體積比為1∶1∶1的碳酸乙烯酯(EC)、碳酸二甲酯(DMC)和碳酸甲乙酯(EMC)為溶劑溶解1 mol/L LiPF6,在氬氣氛真空手套箱中組裝CR2032扣式電池。采用藍(lán)電測(cè)試系統(tǒng)(LAND CT-2001A)進(jìn)行充放電測(cè)試。電池的循環(huán)伏安以及電化學(xué)阻抗測(cè)試在電化學(xué)工作站(ParSTA 4000)上進(jìn)行。
首先采用掃描電鏡(SEM)研究了空白NCM、NCM-P1,NCM-P3和NCM-P5正極粉末的表面形貌。從圖1中可以看出,所有的粉末都是典型的二次球形顆粒,粒徑~8 μm??梢奝NAI聚合物包覆層不會(huì)對(duì)材料形貌造成破壞。如圖1a,b所示,空白樣品NCM的一次粒子清晰可見。圖1(c,d)~(g,h)中NCM@PANI包覆顆粒表面較為模糊,可以看出顆粒的表面被薄膜覆蓋。
圖1 (a,b)NCM,(c,d)NCM-P1,(e,f)NCM-P3和(g,h)NCM-P5正極顆粒的SEM圖Fig 1 SEM images of NCM,NCM-P1,NCM-P3 and NCM-P5 samples
為了驗(yàn)證聚苯胺在NCM材料表面的存在,實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步采用了紅外光譜FTIR表征了聚苯胺。圖2(a)顯示了空白樣品NCM、適量包覆樣品NCM-P3和過量包覆樣品NCM-P5在400~2 200 cm-1范圍內(nèi)的特征峰。從圖中可以看出空白樣品和包覆樣品在1 300~1 600cm-1之間存在明顯差別,聚苯胺官能團(tuán)的特征波數(shù)即存在于該波段。圖2(b)為NCM-P3和NCM-P5在1300~1600 cm-1范圍的放大圖。不同含量聚苯胺的吸收波數(shù)基本一致,表明包覆量對(duì)聚苯胺分子量大小沒有很大影響。對(duì)比圖中的吸收峰,1 593 cm-1的特征峰對(duì)應(yīng)于-N=(C6H4)=N-中C-N的伸縮振動(dòng),1 486 cm-1的特征峰對(duì)應(yīng)于=(C6H4)=中—CH2—彎曲振動(dòng)的特征吸收峰,1 302 cm-1的特征峰對(duì)應(yīng)于-NH=(C6H4)=NH-中的C-N彎曲振動(dòng)特征吸收峰[14-15]。因此,通過SEM和FT-IR可以確定實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)⒕郾桨钒苍谡龢O顆粒表面。
圖2 空白NCM、適量包覆樣品NCM-P3以及過量包覆樣品NCM-P5的FT-IR紅外光譜Fig 2 FT-IR images of NCM,NCM-P3 and NCM-P5
為了驗(yàn)證包覆對(duì)NCM結(jié)構(gòu)的影響,通過X射線衍射(XRD)對(duì)空白樣品NCM和包覆樣品的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征,如圖3所示。XRD表明樣品結(jié)構(gòu)均為層狀α-NaFeO2結(jié)構(gòu),屬R3/m空間群[16]。從圖中可以看出,(006)/(102)和(108)/(110)衍射峰出現(xiàn)分裂,表明結(jié)晶度良好[17]。在不同包覆含量的材料中均沒有出現(xiàn)其他雜峰或者非靜態(tài)衍射峰,表明PANI包覆對(duì)晶體結(jié)構(gòu)影響非常小。
圖3 空白NCM、NCM-P1、NCM-P3和 NCM-P5包覆樣品的XRDFig 3 XRD patterns of NCM,NCM-P1,NCM-P3 and NCM-P5 samples
實(shí)驗(yàn)采用EDS表征了NCM-P3樣品表面的元素分布。如圖4所示。顆粒顯示的球形結(jié)構(gòu)及直徑在與SEM一致。圖4(a~d)分別顯示了 Ni、Co、Mn和N元素的EDS能譜??梢娫谠摌悠奉w粒的表面元素分布較為均勻。N的能譜表明PANI在NCM表面包覆較為均勻。
圖4 NCM-P3包覆樣品的EDS元素分析Fig 4 EDX mappings of NCM-P3 sample and the corresponding of Ni,Co,Mn and N elements
為了比較包覆前后樣品的微觀形貌。圖5為空白樣品NCM、適量樣品NCM-P3和過量包覆樣品NCM-P5的HRTEM表征。如圖5(a)所示,NCM的表面與內(nèi)部的晶格條紋較為一致,說明材料晶體結(jié)構(gòu)一致,沒有發(fā)生變化。NCM-P3樣品中能夠明顯觀察到一層1~3 nm厚度的不均勻的薄膜,而在NCM-P5包覆樣品中,包覆層厚度增加約為10 nm,且包覆并不連續(xù),呈現(xiàn)點(diǎn)狀包覆。對(duì)比3個(gè)樣品的HRTEM,結(jié)果表明樣品PANI以納米點(diǎn)的形式均勻包覆在高鎳正極顆粒的表面。
圖5 NCM、NCM-P3和NCM-P5樣品的HRTEM表征Fig 5 HRTEM images of NCM,NCM-P3 and NCM-P5 samples
通過一系列的表征測(cè)試,我們驗(yàn)證了PANI在NCM表面的存在、包覆的均勻性等,以及通過HRTEM表征證明了PANI以納米點(diǎn)的形式均勻包覆在NCM顆粒表面。PANI納米點(diǎn)包覆NCM不僅可以保證高鎳材料免受電解液腐蝕的問題,且有利于鋰離子在充放電過程中的脫嵌。
為了研究PANI納米點(diǎn)包覆NCM的電化學(xué)性能的影響。首先測(cè)試了NCM、NCM-P1、NCM-P3和NCM-P5 4個(gè)樣品在0.1C充放電倍率條件下的首次充放電曲線,如圖6(a)所示。首次充放電曲線表面樣品的電壓平臺(tái)較為一致,說明PANI納米點(diǎn)包覆并沒有影響正極的氧化還原反應(yīng)??瞻讟悠泛筒煌堪驳牟牧险龢O的初始放電比容量分別為190.3、190.8、196.3和182.3 mAh/g,對(duì)應(yīng)的庫侖效率分別為85.9%、87.4%、89.1%和83.7%。
圖6 NCM、NCM-P1、NCM-P3和NCM-P5 樣品的(a)首次充放電曲線和 (b)0.2~0.5C倍率下的放電比容量Fig 6 Electrochemical performance of NCM,NCM-P1,NCM-P3 and NCM-P5:(a)initial charge and discharge curves;(b)rate performance
從中可以看出NCM-P3樣品的初始放電比容量和庫侖效率均最高,表明適量的包覆材料有助于提高NCM正極材料首次充放電效率。其原因在于該包覆材料抑制了首次充放電過程中活性鋰離子的消耗,提高了庫倫效率。同時(shí)適量的包覆層包覆降低了電極表面的副反應(yīng),有助于提高放電比容量。圖6b是材料的倍率性能示意圖。可見包覆樣品在較高倍率如1C、2C和5C時(shí),其放電比容量要優(yōu)于未包覆樣品。其中在2C和5C時(shí)NCM-P3樣品放電比容量為166.2和137.6 mAh/g,顯示了最優(yōu)的放電比容量。其原因在于倍率性能與材料的導(dǎo)電性能具有密切關(guān)系,具有良好導(dǎo)電性能的包覆層增強(qiáng)了正極材料表面的電導(dǎo)率,促進(jìn)了電荷轉(zhuǎn)移進(jìn)而提高了倍率性能。
圖7是不同正極材料的扣式電池在0.2C和1C倍率充放電循環(huán)時(shí)放電比容量趨勢(shì)圖。兩種倍率放電容量可以看出1C倍率的放電比容量和循環(huán)保持率明顯下降,表明電流密度對(duì)該正極材料循環(huán)性能影響較大。圖7(a)中空白樣品NCM和包覆樣品100圈循環(huán)后的放電比容量分別為172.89、178.74、184.09和175.65 mAh/g,容量保持率為87.7%、92.4%、95.7%和92.7%??梢娫?.2C倍率下空白樣品的循環(huán)容量保持率低于其他樣品。包覆樣品中NCM-P3樣品具有最好的循環(huán)保持率。圖7(b)中1C倍率下具有相同的趨勢(shì),100圈后放電比容量分別為130.7、140.9、156.3和147.7 mAh/g,容量保持率為75.3%、81.5%、88.3%和84.3%??梢娂{米點(diǎn)PANI包覆NCM能提高高鎳材料的循環(huán)穩(wěn)定性。高鎳正極循環(huán)性能的改善可能來自三個(gè)方面:(1)是PANI納米點(diǎn)包覆層能夠抑制高鎳表面層狀結(jié)構(gòu)在循環(huán)過程中由于晶格氧損失導(dǎo)致的相變[18];(2)是提高了電子/離子導(dǎo)電率,從而提高了電化學(xué)性能;(3)是導(dǎo)電聚合物的存在抑制了正極顆粒與電解液之間副反應(yīng)的發(fā)生,降低顆粒表面的腐蝕和阻抗,從而提高循環(huán)性能。
圖7 NCM、NCM-P1、NCM-P3和NCM-P5 樣品100圈循環(huán)時(shí)的放電比容量Fig 7 Electrochemical performance of NCM,NCM-P1,NCM-P3 and NCM-P5
對(duì)循環(huán)過程中的充放電曲線進(jìn)行dQ/dV分析是驗(yàn)證材料相變的有效方法[19-20]。圖8是NCM和NCM-P3樣品在循環(huán)的第1、50和100圈的充放電曲線及其對(duì)應(yīng)的dQ/dV-比容量曲線圖。通過充放電曲線可以看出,NCM隨著循環(huán)的進(jìn)行容量的衰減以及電壓平臺(tái)的下降。而NCM-P3樣品的容量和電壓平臺(tái)的下降相對(duì)要小。通過對(duì)充放電曲線的微分得到了差分容量曲線dQ/dV,如圖8(c、d)所示。NCM在循環(huán)100圈時(shí)第三個(gè)峰(代表H3-H2相變)的強(qiáng)度下降最為嚴(yán)重。H3-H2氧化還原峰強(qiáng)度的逐漸降低表明晶體結(jié)構(gòu)中可逆變化程度的降低。因此,H3-H2的變化表明不可逆的晶體結(jié)構(gòu)相變[21]。與NCM相比,NCM-P3材料的H3-H2峰強(qiáng)度的下降要小得多,表明包覆材料的相變程度較小[22]。因此,PANI通過抑制充放電過程中材料晶體結(jié)構(gòu)的相變,從而提高了循環(huán)性能。
實(shí)驗(yàn)同時(shí)采用恒流間歇滴定技術(shù)(GITT)分析Li+離子在充放電過程中的擴(kuò)散系數(shù)[23]。GITT是首先施加0.1 C的正電流脈沖,維持電流恒定15 min,使電勢(shì)緩慢上升。中斷電流靜止15 min進(jìn)入弛豫過程。在弛豫期間,由于鋰離子擴(kuò)散,電極中的鋰離子濃度趨向于均勻,電勢(shì)緩慢下降,直到進(jìn)入該階段的平衡,如圖9a所示。對(duì)整個(gè)充電/放電過程擴(kuò)散系數(shù)取平均值,NCM為DNCM,充電=1.56*10-15,DNCM,放電=1.31*10-15,DNCM-P3,充電=1.78*10-15,DNCM-P3,放電=1.35*10-15??梢钥闯鯪CM-P3具有更高的擴(kuò)散系數(shù)。表明包覆層的存在通過影響鋰離子擴(kuò)散系數(shù)提高了倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性。
圖9 GITT方法測(cè)試充放電過程中NCM和NCM-P3的鋰離子擴(kuò)散系數(shù)Fig 9 The GITT results of NCM and NCM-P3
EIS分析進(jìn)一步探索循環(huán)過程中電化學(xué)阻抗對(duì)性能改善的影響。圖10展示了NCM、NCM-P1、NCM-P3和NCM-P5樣品在0.2C循環(huán)初期和循環(huán)100次后的EIS圖。阻抗圖由兩個(gè)半圓和一個(gè)斜率組成,其中Rs表示最高頻率對(duì)應(yīng)的電極/電解液阻抗,Rf是高頻的表面電荷阻抗,中高頻的Rct代表電極與電解質(zhì)界面處的電荷轉(zhuǎn)移電阻,而低頻對(duì)應(yīng)的斜率歸因于鋰離子在塊體材料中的擴(kuò)散[24]。表1展示了NCM、NCM-P1、NCM-P3和NCM-P5樣品在不同循環(huán)下的EIS數(shù)據(jù)。
表1 NCM和NCM-P樣品在不同循環(huán)階段的阻抗值Table 1 The impedance parameters of equipment circuit for the NCM and NCM-P samples at different cycles
圖10 NCM和NCM-P樣品在第2圈和100圈循環(huán)時(shí)的EIS阻抗圖Fig 10 EIS Nyquist plots of the cells after after 2nd and 100th cycles
從表1中可以看出,隨著循環(huán)次數(shù)的增加,所有電極的Rs數(shù)據(jù)都保持較小且相對(duì)穩(wěn)定,這是由于電極經(jīng)過多次循環(huán)后電解質(zhì)體系趨于穩(wěn)定。NCM電極的Rsf值高于NCM-P電極,說明SEI膜再生受到了抑制。所有電極的Rct數(shù)據(jù)都隨著循環(huán)數(shù)的增加而增加,這表明在電極/電解質(zhì)界面處產(chǎn)生的副反應(yīng)更多。從中可以看到Rct阻抗最大,說明電極與電解質(zhì)界面處的電荷轉(zhuǎn)移電阻是主要因素。經(jīng)過100次循環(huán)后,所有電極的電荷轉(zhuǎn)移電阻Rct數(shù)值急劇增加,其中國NCM由79.4Ω增加到221.9Ω。而NCM-P3電極的Rct數(shù)據(jù)僅從45.4Ω增加到136.4Ω。包覆樣品的阻抗一般要小于空白樣品的阻抗,表明導(dǎo)電聚合物聚苯胺在高鎳材料表面能夠緩解表面副反應(yīng)的發(fā)生。
圖11分別為NCM和NCM-P3樣品循環(huán)100次后的SEM圖像。從圖11可以看出,NCM形貌破壞較為嚴(yán)重,一次顆粒變小,且表面出現(xiàn)較大裂紋,主要原因是電極與電解質(zhì)的接觸造成副反應(yīng)的增加,同時(shí)造成金屬離子的溶解,導(dǎo)致了更多的不良反應(yīng)。此外,在圖中出現(xiàn)大量細(xì)小晶粒,表明相變和微裂紋的產(chǎn)生導(dǎo)致層狀晶體結(jié)構(gòu)的破裂。并最終導(dǎo)致材料電化學(xué)性能的惡化。相比之下,PANI納米點(diǎn)表面修飾的NCM保留了較好的球形形貌,表明包覆層可以減緩電解液對(duì)主體材料顆粒的腐蝕,同時(shí),包覆層抑制相變的發(fā)生對(duì)減緩材料在循環(huán)過程中的體積收縮或膨脹起著重要作用,使得其電化學(xué)性能更加穩(wěn)定。
圖11 (a)NCM和(b)NCM-P3樣品在循環(huán)100圈后正極的SEM照片F(xiàn)ig 11 SEM images of the electrodes after 100 cycles from the cell of NCM and NCM-P3
本文通過將小分子量的聚苯胺包覆在正極顆粒表面,形成聚苯胺納米點(diǎn)包覆NCM高鎳正極顆粒,從而提高NCM電化學(xué)性能。首先,實(shí)驗(yàn)通過SEM、FT-IR、EDS和HRTEM等一系列表征驗(yàn)證了PANI的存在、包覆的均勻性,表征了PANI以納米點(diǎn)的形式均勻包覆在NCM顆粒表面。其次,電化學(xué)性能測(cè)試表明,包覆含量為3%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)NCM具有最佳的電化學(xué)性能。其首次庫侖效率可達(dá)89.1%,倍率性能也高于未包覆樣品,0.2C循環(huán)100圈后容量達(dá)到184.1 mAh/g,容量保持率為95.7%,1C倍率下電池循環(huán)100圈后容量為156.3mAh/g,容量保持率為88.3%。可見納米點(diǎn)PANI包覆NCM能提高高鎳材料的循環(huán)穩(wěn)定性。第三,對(duì)循環(huán)后的材料進(jìn)行形貌分析,表明包覆能夠抑制NCM被腐蝕。PANI包覆NCM電化學(xué)性能的提高來自三個(gè)方面:(1)是通過dQ/dV分析表明包覆層能夠抑制層狀結(jié)構(gòu)在H2-H3相變;(2)是通過GITT測(cè)試表明NCM-P3具有更高的擴(kuò)散系數(shù),從而提高了循環(huán)穩(wěn)定性;(3)是通過循環(huán)后的SEM形貌及EIS阻抗表明包覆層的存在抑制了顆粒與電解液之間副反應(yīng)的發(fā)生,降低顆粒表面的腐蝕,從而提高循環(huán)性能。