前驱体预处理对富锂锰基氧化物电化学的影响.pdf
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1、第 15 卷第 1 期2024年2月有色金属科学与工程Nonferrous Metals Science and EngineeringVol.15,No.1Feb.2024前驱体预处理对富锂锰基氧化物电化学的影响文萌a,b,夏鼎峰a,b,钟盛文*a,b(江西理工大学,a.材料冶金化学学部;b.江西省动力电池及材料重点实验室,江西 赣州 341000)摘要:实验通过小规模共沉淀和固相反应成功合成了无钴富锂锰基前驱体Ni0.3Mn0.7(OH)2,将前驱体不进行和进行机械粉碎,分别得到2种不同粒径的Ni0.3Mn0.7(OH)2(D50=1.626 m和0.710 m)前驱体。不同粒径大小的前驱
2、体与LiOH以1 1.55的摩尔比混合,经过高温烧结,合成2种颗粒大小的富锂锰基正极材料Li1.2Ni0.24Mn0.56O2(D50=1.667 m和1.148 m)。实验结果表明,颗粒尺寸影响其物理化学性质和电化学性能。Li1.2Ni0.24Mn0.56O2(D50=1.148 m)正极材料具有较小颗粒尺寸,显示出优异的电化学性能(在0.5 C下循环100次后,容量为190.7 mAh/g,循环保持率高达91.2%)。研究揭示了一种简易方法改变颗粒大小,并证明了粒径对电化学的重要性。关键词:富锂锰材料;颗粒大小;电化学;共沉淀法;锂电池中图分类号:TF111.34;TF124.5+1;TG
3、145 文献标志码:AEffect of precursor pretreatment on the electrochemistry of lithium-rich manganese oxidesWEN Menga,XIA Dingfenga,ZHONG Shengwen*a,(a.Faculty of Materials Metallurgy and Chemistry;b.Jiangxi Key Laboratory of Power Battery and Materials,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 3
4、41000,Jiangxi,China)Abstract:In this experiment,the cobalt-free lithium-rich manganese precursor Ni0.3Mn0.7(OH)2 was successfully synthesized by small-scale co-precipitation and solid-phase reaction,and the precursor was mechanically crushed with or without the precursor to obtain two different part
5、icle sizes of Ni0.3Mn0.7(OH)2(D50=1.626 m and 0.710 m)precursors.The precursors with different particle sizes were mixed with LiOH in a molar ratio of 1:1.55 and sintered at high temperature to synthesize two Li Mn-rich cathode materials with different particle sizes,Li1.2Ni0.24Mn0.56O2(D50=1.667 m
6、and 1.148 m).The experimental results show that the particle size also affects its physicochemical properties and electrochemical performance.Li1.2Ni0.24Mn0.56O2(D50=1.148 m)cathode material with smaller particle size shows excellent electrochemical performance(capacity of 190.7 mAh/g after 100 cycl
7、es at 0.5 C and cycle retention rate of 91.2%).Our study reveals an easy way to change the particle size and demonstrates the importance of particle size for electrochemistry.Keywords:lithium-rich manganese materials;particle size;electrochemistry;co-precipitation;Li-ion batteries近年来,由于碳中和与全球能源危机,可再
8、生清洁能源已经引起了很多关注,例如太阳能、风能和水能。这些可再生能源急需具有稳定存储能力和高转换效率的储能装置。锂离子电池是一种常见的储能收稿日期:2022-12-21;修回日期:2023-03-09基金项目:国家自然科学基金资助项目(51874151)通信作者:钟盛文(1963),教授,博士生导师,主要从事锂离子电池及其材料方面的研究。E-mail:文章编号:1674-9669(2024)01-0025-09 DOI:10.13264/ki.ysjskx.2024.01.004引文格式:文萌,夏鼎峰,钟盛文.前驱体预处理对富锂锰基氧化物电化学的影响J.有色金属科学与工程,2024,15(1)
9、:25-33.有色金属科学与工程2024 年 2 月设备,具有高能量转换效率、高能量密度和长寿命性能,已经被应用于许多智能便携式设备中1-6。这些设备需要更高能量密度以满足人们需求。相比其他正极材料,富锂锰基材料因其较高的容量(250 mAh/g),因此被视为最有潜力的下一代正极材料。然而,富锂锰基材料存在以下问题,例如:首次库仑效率低、电压衰减、倍率性能差,从而限制了其商业化进程7-9。目前,研究人员主要通过对富锂锰基材料进行掺杂、表面改性和改变电压制度来缓解上述方面的问题,例如通过掺杂F-增加材料结构稳定性从而改善电压衰减。与此同时,也可以通过控制粒径大小来改善动力学迟缓和倍率性能差等问题
10、10。此外,通过改变材料颗粒大小,可以改善动力学滞后和不良的倍率性能。前人在共沉淀合成过程中,通过调节pH值11、浓度和转速等参数合成了不同形态和尺寸的前驱体12-16,以前的方法在合成过程中影响因素较多,难以保证每次合成过程中各参数的一致性。本实验提供了一种改变颗粒尺寸的方法,可以极大提高实验重复性。本文将共沉淀法合成的Ni0.3Mn0.7(OH)2前驱体用气流粉碎机进行机械粉碎,得到形状和粒径不同的 2种前驱体。将干燥的前驱体和 LiOH以n(M)n(Li)=11.55(M=Ni+Mn)在卫星球混合器中混合。混合后的产品在 900 的炉子里以0.2 m3/s的空气气氛烧结14 h,得到2种
11、不同粒度的阴极材料 Li1.2Ni0.24Mn0.56O2(D50分别为 1.667 m 和1.148 m)。1实验方法1.1正极材料的制备以 六 水 硫 酸 镍(NiSO4 6H2O)、一 水 硫 酸 锰(MnSO4 H2O)、氢氧化钠(NaOH)和氨水(NH3 H2O)为 原 料 在 连 续 搅 拌 釜 式 反 应 器(CSTR)中 合 成Ni0.3Mn0.7(OH)2前驱体。过渡金属溶液的进料速率固定为 1.1 mL/min,基础溶液(NaOH 和 NH3 H2O的混合物)的泵送速率由pH=11控制。沉淀反应在恒温(55)和固定搅拌速度(450 r/min)下进行。将N2保护气体引入 C
12、STR 以防止 Mn2+氧化。搅拌反应8 h后,静置陈化2 h,而后过滤、水洗至中性,得到前驱体。在120 的真空烘箱中干燥 24 h。将有无经过气流磨处理的前驱体Ni0.3Mn0.7(OH)2和 LiOH 以1 1.55摩尔比混合均匀,后在550/6 h至900/14 h下进行高温烧结,制备出不同粒径大小的富锂锰正极材料 Li1.2Ni0.24Mn0.56O2。1.2材料结构与形貌表征采用BT-9300ST 型激光粒度仪对所得到的材料粒径进行表征。采用日本理学MiniFlex 600型转靶衍射仪(XRD)对产物进行物相分析,测试条件为:Cu K辐射,=0.154 06 nm,60 kV管电压
13、,50 mA管电流,扫描范围 2=1080,步长为 0.02,扫描速率为2()/min;采用德国ZEISS EVO/MA10 型扫描电镜表征对所得到的材料形貌进行表征。采用德国ZEISS EVO/MA10 型BET对所得到的材料进行比表面积测试。采用 X 射线光电子能谱仪(XPS;PHI 5700 ESCA)分析表面过渡金属元素(Mn、Ni)的氧化数。通用结构分析系统(GSAS)用于对所有化合物进行结构细化。1.3电化学性能测试将富锂锰基正极材料 Li1.2Ni0.24Mn0.56O2、黏结剂PVDF、导电剂 SP 三者按质量比 90 6 4称取,固体含量按 45%(指质量分数)来确定 NMP
14、 的量。将PVDF溶于NMP中直至无气泡时,再将称取好的正极材料、导电材料SP放入研钵中手动研磨均匀后,最后将溶解好的 PVDF 加入混合均匀的固体材料中,在匀浆机中高速转动以形成浆液。用这种浆料涂覆铝箔,并在 120 C 下干燥 30 min。随后进行滚压冲片制备直径为 12 mm 的圆盘。将圆盘称重后在70 C的真空温度下再干燥12 h。电解液的制备为碳酸亚乙酯(EC)、碳酸甲乙酯(EMC)和碳酸二甲酯(DMC)的混合物(EC EMC DMC的体积比例为1 1 1),然后将电解质LiPF6(1 mol/L)溶解在该混合物中。隔膜由聚丙烯-聚乙烯-聚丙烯微孔薄膜(Cellgard 2400)
15、制成。将硬币型电池(CR2032)组装在充满氩气的手套箱中,锂片作为对电极。电压设定为 2.04.6 V,使用中国深圳市新威尔电子有限公司生产的电化学测试仪设备进行电化学性能测试。所有电化学实验均在 25 C 下进行。2结果与讨论2.1粒度分析图 1 描述了材料的制备过程。Ni0.3Mn0.7(OH)2(D50=1.626 m)样品的激光粒度图谱如图2(a)所示,Li1.2Ni0.24Mn0.56O2(D50=1.148 m)样品的激光粒度图谱如图 2(b)所示。图 2(a)显示了氢氧化物前驱体的粒度分布。大多数直方图曲线在 0.5 m和 2 m 处具有最大值,分别为晶核、附聚体碎片。Ni0.
16、3Mn0.7(OH)2(D50=0.710 m)样品峰值强度在粒径为 0.5 m 时远高于 2 m 的沉淀物,表明沉淀物26第 15 卷 第 1 期文萌,等:前驱体预处理对富锂锰基氧化物电化学的影响主要是以晶核的形式存在17。Ni0.3Mn0.7(OH)2(D50=0.710 m)样品峰值强度在 2 m 高于 0.5 m 的沉淀物,表明沉淀物主要是以附聚体碎片的形式存在。与此同时,如图 2(b)所示,Li1.2Ni0.24Mn0.56O2(D50=1.667 m 和 1.148 m)样品的激光粒度生长符合正态分布。2.2前驱体材料结构分析通过粉末XRD谱验证了Ni0.3Mn0.7(OH)2前驱
17、体的晶体结构,如图3所示。图3中用心型符号突出显示的小峰是Mn2+氧化的结果。结果表明,即使在合成过程中通入了N2保护气体,仍然会再合成,洗涤或干燥过程中存在部分Mn2+氧化为Mn3+。位于2=19的主峰,由于初级粒子的各向异性生长,强度比其他峰高得多。从图3中可以明显看出Ni0.3Mn0.7(OH)2(D50=0.710 m)的主峰强度高于Ni0.3Mn0.7(OH)2(D50=1.626 m),表明经过气流磨处理后的前驱体具有更高的各向异性生长。根据文献7的报道,3540之间的宽峰与金属氢氧化物沿c轴的堆垛层错有关,该层错与-Ni(OH)2相具有相等结构。2.3前驱体材料SEM分析为了确定
18、经过气流磨处理前后的前驱体形貌和颗粒大小,进行了SEM测试。如图4(a)所示,未经气流磨处理的前驱体显示出一次片状组成的二次团正极料1 D50=1.667 m正极料2 D50=1.148 m前驱体2 D50=0.710 m烧结混锂气流磨烧结混锂共沉淀前驱体1 D50=1.626 mMnSO4NiSO4图1Ni0.3Mn0.7(OH)2的合成处理和Li1.2Ni0.24Mn0.56O2的合成过程流程示意Fig.1Flow chart of the synthetic treatment of Ni0.3Mn0.7(OH)2 and the synthetic process of Li1.2Ni
19、0.24Mn0.56O20 10 20 30 40 50粒径/mD50=1.626 mD50=0.710 m0 10 20 30 40 50粒径/mD50=1.667 mD50=1.148 m强度/a.u.强度/a.u.(a)(b)图2不同粒径的前驱体及其对应粒径的正极料样品的激光粒度图谱:(a)Ni0.3Mn0.7(OH)2(D50=1.626 m)样品;(b)Li1.2Ni0.24Mn0.56O2(D50=1.148 m)样品Fig.2Laser particle size mapping of precursors of different particle sizes and thei
20、r corresponding size of cathode material samples:(a)Ni0.3Mn0.7(OH)2(D50=1.626 m);(b)Li1.2Ni0.24Mn0.56O2(D50=1.148 m)27有色金属科学与工程2024 年 2 月聚体。如图4(b)所示,经过气流磨处理后的前驱体呈一次分散片状。2.4正极材料结构分析为了确定粒径大小对富锂锰材料结构的影响,进行XRD测试。如图5(a)所示,所有反射的主峰都指向六方晶系-NaFeO2型层状结构,属于R-3m空间点阵群,还出现了Li2MnO3相的特征峰。与此同时,没有出现其他的杂峰,这说明合成的材料具有较高
21、的纯度。由图5(b)可以看出颗粒粒径变小后(003)峰向左偏移,表明材料层间距在增大。2个样品在(006)/(012)和(018)/(110)处均显示出明显的相邻峰分裂,表明形成了层状结构。各样品的 c/a 值均大于4.899,说明材料具有很好的层状结构。I(003)/I(104)可用于表征阳离子混排程度,I(003)/I(104)的值越高,材料中的阳离子混排程度越低。从表1中可以清晰地看出Li1.2Ni0.24 Mn0.56O2(D50=1.667 和 1.148 m)2 种材料样品的 I(003)/I(104)比值均大于 1.2,说明 2种材料样品的阳离子混排程度较低。对比可以发现,Li1
22、.2Ni0.24Mn0.56O2(D50=1.148 m)材料样品的I(003)/I(104)比值明显大于 Li1.2Ni0.24Mn0.56O2(D50=1.667 m)材料样品的 I(003)/I(104)比值,说明Li1.2Ni0.24Mn0.56O2(D50=1.148 m)材料样品具有更低的阳离子混排程度18-21。为了确定粒径大小对菱面体 LiMO2(R-3m)相和单斜 Li2MnO3(C2/m)相组分含量的影响,通过GSAS软件进行XRD Rietveld研究了相组成,具体拟合数据见表1。2.5正极材料SEM和BET分析为了确定不同粒径下正极材料的形貌和颗粒大小进行了SEM测试。
23、结果显示,所有样品均由一次颗粒堆积成的二次颗粒组成,同时部分样品在视觉上具有锋利的边缘和光滑的小平面(图6(a)和图6(b),现象表明这些颗粒具有良好的结晶性。为了确定一次颗粒的大小。进行了粒径统计,如图6(c)和图6(d)对比显示Li1.2Ni0.24Mn0.56O2(D50=1.148 m)样品具有微弱的一次颗粒团聚和最小的一次颗粒平均粒径。Li1.2Ni0.24Mn0.56O2(D50=1.667 m和 1.148 m)材料样品的BET测试结果如图7所示。Li1.2Ni0.24Mn0.56O2(D50=1.667 m和 1.148 m)的BET比表面积分别为2.613 2 m2/g和3.
24、017 3 m2/g,可以得知粒径变小后颗粒获得较大比表面积。2.6正极材料XPS分析为了确定过渡金属离子的价态,对2个样品进行了XPS分析。如图8所示,在2个样品的XPS测量中10 20 30 40 50 60 70 802/()PDF 74-2075PDF 80-0382D50=0.710 mD50=1.626 m 强度/a.u.图3Ni0.3Mn0.7(OH)2(D50=1.626 m和0.710 m)样品的XRD图谱Fig.3XRD patterns of Ni0.3Mn0.7(OH)2(D50=1.626 m and 0.710 m)samples(a)(b)2 m2 m图4前驱体样
25、品扫描电镜图像:(a)Ni0.3Mn0.7(OH)2(D50=1.626 m)样品;(b)Ni0.3Mn0.7(OH)2(D50=0.710 m)样品Fig.4Scanning electron microscope images of precursor samples:(a)Ni0.3Mn0.7(OH)2(D50=1.626 m);(b)Ni0.3Mn0.7(OH)2(D50=0.710 m)28第 15 卷 第 1 期文萌,等:前驱体预处理对富锂锰基氧化物电化学的影响都观察到Ni、Mn、O、C和Li元素的信号。图8(b)和图8(c)分别显示了Mn 2p和Ni 2p的拟合XPS光谱,峰面积
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