微波辅助固相法合成锂离子电池正极复合材料Li2FeSiO4/C
曹雁冰1,2, 段建国1, 胡国荣1, 姜锋2, 彭忠东1, 杜柯1
1. 中南大学 冶金科学与工程学院, 长沙 410083
2. 中南大学 材料科学与工程学院, 长沙 410083

曹雁冰(1982-), 男, 博士, 讲师. E-mail:cybcsu@csu.edu.cn

摘要

以Na2SiO3·9H2O和FeCl2·4H2O为原料, 采用低热固相反应获得了分散均匀的β-FeOOH/SiO2前驱体; 再以Li2CO3为锂源、聚乙烯醇和超导电炭黑为复合碳源, 通过微波辅助固相法合成了Li2FeSiO4/C材料. 通过X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和恒电流充放电测试等方法对材料的结构、微观形貌及电化学性能进行表征. 650℃下微波处理12 min可获得结晶好、晶粒细小均匀的Li2FeSiO4/C材料; 在选用的微波合成体系下, 超导碳和聚乙烯醇热分解的无定形碳不仅利于合成反应的顺利进行, 而且提高了Li2FeSiO4的整体导电性能. 制备的复合正极材料在60 ℃下0.05C倍率首次放电容量为129.6 mAh/g, 0.5C倍率下为107.5 mAh/g, 0.5C下15次循环后保持为104.8 mAh/g, 具有较好的放电比容量和良好的循环稳定性能. 结果表明, 微波辅助固相合成工艺是制备Li2FeSiO4/C复合材料的一种很有前景的方法.

关键词: 正极材料; Li2FeSiO4; 微波辅助固相合成; 碳包覆
中图分类号:TM912   文献标志码:A    文章编号:1000-324X(2012)10-1023-07
Synthesis of Li2FeSiO4/C Composite as Cathode Materials for Lithium Ion Battery by Microwave Assisted Solid Reaction Method
CAO Yan-Bing1,2, DUAN Jian-Guo1, HU Guo-Rong1, JIANG Feng2, PENG Zhong-Dong1, DU Ke1
1. School of Metallurgical Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China
2. School of Materials Science and Engineering, Central South University, Changsha 410083, China
Abstract

The homogeneous distribution of FeOOH/SiO2 precursor material was prepared from FeCl2·4H2O and Na2SiO3·9H2O by low-heating solid-state reaction. Then Li2FeSiO4/C composites were prepared by microwave assisted solid reaction method, with prepared precursor FeOOH/SiO2 and Li2CO3as the starting materials, PVA and super-P carbon as carbon sources. The prepared samples were characterized by X-ray diffractometry, SEM, TEM, and galvanostatic charge-discharge test. Highly pure Li2FeSiO4/C material with uniform and fine particle size was obtained at 650℃ in 12 min. Under the selective microwave synthesis system, super-P carbon powder and pyrolyzed amorphous carbon not only effectively provided the high temperature to induce the complete reaction but also formed the conductive network to enhance the electronic conductivity. The optimum Li2FeSiO4/C composite displayed discharge capacity of 129.6 mAh/g at 0.05C rate and 107.5 mAh/g at 0.5C rate at 60℃. After 15 cycles the discharge capacity maintained 104.8 mAh/g at 0.5C, indicating good electrochemical capacity and cycling stability. Consequently, the results show that microwave assisted solid synthesis process is a promising method for preparing Li2FeSiO4/C composite.

Keyword: cathode materials; Li2FeSiO4; microwave assisted solid synthesis; carbon coating

从资源、环保和安全性能方面出发, 开发成本低廉、环境友好的新型锂离子电池正极材料一直是人们研究的重点. 自从Goodenough 实验室报道LiFePO4以来[ 1], 铁系聚阴离子型化合物作为有潜力的锂离子电池正极材料受到了极大的关注. 而硅酸盐系列材料因具有矿藏丰富和环境相容性好等特点也颇具吸引力[ 2, 3, 4, 5]. Li2FeSiO4具有与LiFePO4相似的化学结构和化学稳定性能. 由于具有很强的Si-O键结合力, Li2FeSiO4形成了稳定的晶体框架结构, 可使锂离子的脱出和嵌入电位保持稳定, 在锂离子嵌脱过程中正极材料结构能较好地保持, 具有高的安全性能[ 6, 7, 8, 9], 成为很有发展前景的锂离子电池正极材料.

但是铁系材料的本身结构决定了其电导率低, 电化学活性差, 限制了其实际应用. 室温下Li2FeSiO4的电子电导率远低于其它正极材料, 大约为6×10-14S/cm, 而且在充放电过程中, Li+在Li2FeSiO4和LiFeSiO4两相中的扩散系数很小, 导致材料的可逆容量较低和倍率性能差, 特别是室温下的电化学性能更差[ 7, 9, 10], 即使以小电流充放电其放电比容量也很难达到理论比容量. 因此对于Li2FeSiO4的制备与改性来说提高电子-离子的导电率十分关键. 合成颗粒尺寸细小的材料并与导电相材料(如碳)良好复合, 形成有效的导电网络可以提高电子-离子的导电率. 目前报道材料大多含有杂相, 而且合成工艺都需要很长的处理时间. 在改善Li2FeSiO4材料电导率方面, 大多是通过基于有机盐体系的溶胶-凝胶法[ 11, 12, 13]来控制颗粒尺寸大小以制备较高纯度和较好循环性能的硅酸盐复合正极材料, 但其合成过程较复杂、流程时间较长且成本偏高. 因此寻找工艺简单、节能高效的新合成方法对硅酸盐正极材料的研究具有重要意义. 近几年微波合成技术Re成为快速制备高性能新材料的有效方法, 应用于锂离子电池正极材料的制备[ 14, 15, 16, 17, 18, 19].

本工作首先通过低热固相法[ 16, 20]获得均匀细小的前驱体, 再采用低温预烧-微波合成法制备Li2FeSiO4/C正极材料. 在合成过程中加入超导电炭黑(super-P carbon, SP), 一方面超导电炭黑具有较好的吸波能力, 可提高材料反应体系的整体热导率和吸波能力; 另一方面添加导电能力较强的超导电炭黑分散在Li2FeSiO4颗粒中间, 能更好地提高Li2FeSiO4/C整体电导率. 本工作选择聚乙烯醇和超导电炭黑为复合碳源以期控制产物尺寸, 使得到的Li2FeSiO4/C材料形成有效的碳导电网络, 提高正极材料电化学性能.

1 实验部分

以预先磨细的Na2SiO3·9H2O和FeCl2·4H2O为原料, 在无水乙醇溶剂中研磨30 min后用去离子水和无水乙醇反复洗涤数次, 过滤, 烘干, 得橙黄色的前驱体样品. 将获得的前驱体与化学计量的碳酸锂和适量的聚乙烯醇粉末(PVA)充分混匀. 首先在450℃预烧6 h使有机碳源分解和水合氧化物脱水, 然后与2wt%的超导电炭黑混匀后压片, 再采用氩气保护进行微波固相反应, 选择热处理温度为650℃, 在不同辐射时间下合成Li2FeSiO4/C材料. 微波合成设备为长沙隆泰科技公司设计, 可精确地进行温度控制, 主频率为2.45 GHz.

采用Shimadzu-FTIR-8400红外光谱仪测试低热固相法合成的前驱体结构. 使用的X射线粉末衍射仪为日本理学Rigaku D/max 2550VB+ 18 kW转靶X射线衍射仪: CuKα辐射, 40 kV, 100 mA, 扫描速度0.5°/min, 扫描角度2 θ为10~70°, 步长为0.02°. 用日本JEOL公司JSM-6360LV型扫描电子显微镜对样品的形貌进行观察, 采用TecnaiG220型透射电子显微镜观察微观形貌.

以N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)为溶剂, 按质量比75 : 15 : 10分别称取活性物质、乙炔黑和PVDF, 混合均匀后, 涂在预处理过的铝箔上, 放入真空干燥箱中在120℃下干燥得到正极片. 在充满氩气的手套箱中, 以金属锂片为负极, 0.8 mol/L双草酸硼酸锂(LiBOB)/碳酸乙烯酯(EC)+碳酸丙烯酯(PC)+碳酸甲乙酯(EMC)(1:1:3体积比)为电解液, Celgard2400多孔聚丙烯膜为隔膜, 组装扣式电池. 用LAND电池测试系统对模型电池进行恒流充放电循环测试, 在60℃环境下, 电压范围为2.0~4.0 V, 如没有特别说明, 电化学测试都在60℃下进行. 在室温25℃下测试时, 电压范围为1.8~4.5 V. 电流密度1 C = 160 mA/g.

2 结果与讨论

对Na2SiO3·9H2O和FeCl2·4H2O经过低热固相反应获得的前驱体进行XRD分析, 如图1所示. 对照JCPDS标准数据卡75-1594可知, 获得的产物中含有β-FeOOH, 为晶态的四方相结构. 前驱体样品衍射峰不尖锐, 呈现明显宽化, 而且基线不平滑、背底很强, 说明样品结晶性不好或者颗粒细小. 在谱图中没有发现SiO2的衍射峰, 生成的SiO2以无定形存在.

图1 低热固相反应制备前驱体的XRD图谱Fig. 1 XRD pattern of the precursor prepared by low-heating solid-state reaction method

图2给出了前驱体的红外光谱图, 如图所示, 在890与700 cm-1左右均有特征吸收, 与文献[21]报道的β-FeOOH的红外光谱图相一致. 而其中1097.38与475.03 cm-1的吸收峰是SiO2的特征吸收, 其中1097.4 cm-1处的吸收峰对应于Si-O键的伸缩振动, 475.03 cm-1处的吸收峰对应于Si-O-Si 键的弯曲振动[ 22], 结合XRD分析结果说明前驱物中的SiO2以无定形存在.

图2 低热固相化学反应制备前驱体的红外光谱Fig. 2 FTIR spectrum of the precursor prepared by low-heating solid-state reaction method

图3为低热固相反应法制备前驱体的SEM照片, 如图所示颗粒细小, 粒子形状规则, 微粒与微粒之间分布均匀, 利于缩短在固相合成过程中原子的扩散路程, 可减少合成均相材料所需的反应时间.

图3 低热固相化学反应制备前驱体的SEM照片Fig. 3 SEM image of the precursor prepared by low-heating solid-state reaction method

图4为微波热处理不同时间合成的Li2FeSiO4/C样品的XRD图谱, 从图中可以看出, 微波处理8 min已经出现了Li2FeSiO4的衍射峰, 但衍射峰明显的宽化, 而且存有杂相峰. 这是由于合成时间短, 反应不充分, 导致晶体结晶度不高. 当加热时间增加到12 min时, 杂质峰已完全消失, 样品的衍射峰尖锐, 结晶良好, 强衍射峰与已报道的图谱十分吻合[ 2], 属于正交晶系, 空间群为Pmn21. 继续延长反应时间, 衍射峰强度增加, 晶型变得更加完整, 但处理时间较长会导致产物颗粒尺寸生长过大. 未发现碳对应的衍射峰, 估计残留的热解碳以无定形存在. 由此可见, 采用微波辅助固相工艺可在较短的时间里得到结晶良好的高纯度Li2FeSiO4材料, 与文献报道相比[ 11, 23], 微波固相法合成的材料XRD中并未出现Li2SiO3、Fe3O4等杂质相的衍射峰. 这主要由于低热固相法获得了粒径细小、分散均匀的前驱体, 利于缩短固相中离子迁移路径, 减少反应时间; 分散在反应物颗粒之间的超导碳和聚乙烯醇热分解的无定形碳是良好的微波耦合剂, 它们能促进微波与反应原料相互作用, 提高反应体系的热导率[ 19, 24]. 在微波场作用下整个反应体系能够获得快速均匀的加热, 使离子扩散和碳热还原反应同时进行, 从而可在较短的处理时间内制备出高纯度、结晶良好的Li2FeSiO4材料.

图4 微波热处理不同时间制备的 Li2FeSiO4/C材料的XRD 图谱Fig. 4 XRD patterns of Li2FeSiO4/C material prepared by microwave assisted low-heating solid-state reaction for different time

图5为微波热处理不同时间合成产物的SEM照片. 随着加热时间的增加, 样品颗粒尺寸有明显增大的趋势. 微波辐射8 min制备的样品颗粒细小, 但颗粒形状较不规则, 颗粒间的分界不明显, 颗粒还未生长完整; 微波辐射延长至12 min时, 样品颗粒尺寸没有发生明显变化, 形态生长完整, 形成规则、细小、分布均匀的颗粒; 处理时间为16 min时, 粒度有所增大, 颗粒生长较不规则, 出现较多团聚颗粒; 时间增加到20 min后, 颗粒长大而且颗粒间团聚严重, 颗粒异常长大将不利于Li+在Li2FeSiO4粒子中的嵌入和脱出. 通过选择合适的微波处理时间可获得颗粒尺寸较小, 均一性良好的Li2FeSiO4/C材料. 微波合成体系中受热体均匀地被加热, 具有很快的加热速率可促进反应快速地进行, 利于目标产物晶核的形成, 在较短的处理时间内促使细小颗粒的形成. 另外合成过程中颗粒间碳的存在能够阻碍晶粒的异常生长, 可获得分布均匀的材料.

图5 微波热处理不同时间制备的Li2FeSiO4/C材料的SEM照片Fig. 5 SEM images of Li2FeSiO4/C material prepared by microwave assisted low-heating solid-state reaction for different time(a) 8 min; (b) 12 min; (c) 16 min; (d) 20 min

图6是微波热处理不同时间合成的Li2FeSiO4/C材料0.05 C充放电倍率的首次充放电曲线. 从图6可以看出, 处理时间8 min时, 样品的首次放电比容量为115 mAh/g, 微波热处理12 min合成的样品电压平台较平坦且范围变宽, 具有最好的电化学性能, 首次放电比容量为129.6 mAh/g, 随着加热时间的继续延长容量有所下降, 微波热处理16 min样品首次放电比容量为121.7 mAh/g, 20 min样品电压平台倾斜, 颗粒变大导致的电极材料极化增大, 首次放电比容量降至106.5 mAh/g. 聚阴离子型正硅酸盐材料可逆脱嵌锂的动力学性能受到电子和锂离子扩散过程的控制. 分布均匀、尺寸细小的颗粒可以降低锂离子的固相扩散距离, 增强活性颗粒中的锂离子扩散能力, 提高其可逆比容量. 从样品的XRD图谱和SEM照片可知, 微波热处理8 min合成的材料结晶性能不完善而且有杂相导致放电比容量偏低; 微波热处理16和20 min合成的样品因为颗粒开始团聚, 使电极材料与电解液的有效接触面积减少, 颗粒较大使锂离子扩散路径增长, 可逆比容量下降快[ 6, 9]. 微波热处理12 min合成的样品结晶良好, 颗粒细小均匀, 故其具有较好的可逆比容量和平台稳定性.

图6 不同时间制备的Li2FeSiO4/C材料0.05 C倍率下的首次充放电曲线Fig. 6 First charge-discharge curves of Li2FeSiO4/C materials prepared by microwave assisted low-heating solid-state reaction for different time at 0.05 C rate

采用微波辅助固相法在650℃下微波处理 12 min的样品具有较好的电化学性能. 进一步分析其微观形貌、倍率充放电以及循环性能. 图7给出了此条件下制备的Li2FeSiO4/C材料的TEM照片, 如图所示, 产物的一次颗粒近似球形, 碳在Li2FeSiO4颗粒之间形成连续的连接, 在材料晶粒表面和颗粒间构成有效的导电网络, 增加Li2FeSiO4颗粒之间的导电性, 整体导电性能得到改善; 同时复合的碳增加了正极材料的比表面积, 使材料与电解液充分接触, 给电子、离子交换提供了较好的通道[ 25, 26], 利于电子和锂离子在电极/电解液界面的传递, 减小极化, 可提高电极反应动力学性能.

图7 微波辅助固相合成的Li2FeSiO4/C材料的TEM照片Fig.7 TEM image of Li2FeSiO4/C material prepared by microwave assisted low-heating solid-state reaction

制备的Li2FeSiO4/C材料0.05 C倍率时的前2次和第5次充放电曲线如图8所示, Li2FeSiO4材料首次充电过程中发生了相变, 形成更稳定的结构[ 2, 6]. 电压平台从首次充放电的3.1 V左右转到了后续的充电过程中的2.8 V, 放电电压平台没有发生偏移. 第2次与第5次的充放电曲线较好的重叠, 放电比容量分别为129.8和129.4 mAh/g, 放电效率分别为99 %和99.1 %, 说明Li2FeSiO4的相转变在首次充放电过程中基本完成, 在以后循环中Li2FeSiO4具有良好的可逆性和循环稳定性.

图8 制备的Li2FeSiO4/C材料在0.05 C下前2次和第5次充放电曲线Fig. 8 The first, second and fifth charge-discharge curves of the as-prepared Li2FeSiO4/C material at 0.05 C rate

图9(A)为制备的正极材料在0.1 C、0.2 C、0.5 C不同倍率下的第二次充放曲线和倍率循环性能曲线. 所合成的Li2FeSiO4/C材料在0.1 C、0.2 C、0.5 C倍率时的放电比容量分别为124.5、117.2和107.5 mAh/g, 保持了0.05 C容量的95.9%、90.3%和82.8%. 低倍率下放电平台保持平坦, 随着放电倍率的增加, 电极极化增大, 较高倍率下平台下降明显, 可逆性变差. 图9(B)给出了Li2FeSiO4/C材料的不同倍率下的循环性能. 0.1 C和0.2 C倍率下10次循环后比容量分别为123.5 mAh/g和115.9 mAh/g, 0.5 C倍率下15次循环后比容量保持为104.8 mAh/g, 0.1 C、0.2 C、0.5 C倍率下循环的容量保持率分别为99.4%、99%和97.7%, 表明合成的Li2FeSiO4材料具有较好的循环性能.

图9 Li2FeSiO4/C材料在不同倍率下第二次充放电曲线(A)和不同倍率循环曲线(B)Fig. 9 Second charge-discharge curves (A) and cycle capability (B) of Li2FeSiO4/C at different rates

进一步考察了正极材料的室温性能, 图10(A)为合成的正极材料在1.8~4.5 V区间内0.05 C充放电倍率下前二次充放电曲线. 如图10(A)所示, 前二次容量分别为130.2和129.9 mAh/g. 充放电循环过程中, 由于Li2FeSiO4材料室温下极低的电导率, 电极极化偏大, Li2FeSiO4材料的放电平台保持较差. Li2FeSiO4材料的电子电导率较低, 受环境温度影响较明显, 相对较低的温度对聚阴离子型材料的离子扩散和电子迁移速率都不利, 从而导致锂离子在固相中的扩散速度以及电荷转移速度很慢, 表现为室温倍率性能和循环性能较差, 如图10(B)所示为Li2FeSiO4/C材料的0.05 C和0.2 C倍率下的循环性能. 0.05 C倍率下经过10次循环后放电比容量为128.4 mAh/g, 0.2 C倍率下从107.3 mAh/g经10次循环降到103.4 mAh/g.

图10 Li2FeSiO4/C材料室温下前2次充放电曲线(A)和循环性能图(B)Fig. 10 Initial and second charge-discharge curves(A) and cycle capability(B) of Li2FeSiO4/C cycled at room temperature

采用微波辅助固相法结合碳包覆改性改善了Li2FeSiO4的电化学性能, 获得了具有良好充放电平台的正硅酸盐材料. 这主要在于一是制备了纯度高、颗粒尺寸细小的正极材料; 二是聚乙烯醇热解碳包覆在颗粒表面, 实现了颗粒之间有效的导电接触, 同时超导电碳粉为颗粒之间提供了附加的导电通路, 增强了颗粒与颗粒之间的电子传输, 提高了正极材料的整体电导率.

3 结论

1)以Na2SiO3·9H2O和FeCl2·4H2O为原料, 通过低热固相反应, 获得了β-FeOOH/SiO2前驱体. 以制备的FeOOH/SiO2前驱物和Li2CO3为原料, 聚乙烯醇和超导碳为碳源, 通过低温预烧-微波辅助固相法合成了Li2FeSiO4/C正极材料.

2)在650℃下微波热处理12 min合成了结晶好、细小均匀、高纯度的Li2FeSiO4/C材料. 制备的材料具有较好的电化学性能, 在60℃下0.05 C倍率首次放电容量为129.6 mAh/g, 0.5 C倍率下有107.5 mAh/g, 15次循环后保持为104.8 mAh/g;

3)室温下0.05 C倍率下首次放电容量为130.2 mAh/g, 循环10次后为128.4 mAh/g, 衰减较快. Li2FeSiO4材料具有较低的电子电导率和离子电导率, 相对较低的温度对聚阴离子型Li2FeSiO4材料的电化学性能不利.

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