陆 雷(1985-), 男. 硕士研究生. E-mail:andylulei@126.com
以氨水为络合剂, NaOH为沉淀剂, 通过共沉淀制备了高致密、粒度均匀的球形前驱体Ni0.8Co0.1Mn0.1(OH)2. 通过焙烧该前驱体和LiOH·H2O的混合物制备出球形锂离子电池正极材料LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2. 采用XRD、SEM、TEM、TGA/DSC以及恒流充放电测试对材料的结构、形貌和电化学性能进行表征. 结果表明, 球形前驱体是由纳米级一次颗粒团聚形成, 而不是晶粒的长大, 且反应时间对前驱体的形貌、粒径分布及振实密度有显著影响. 750℃焙烧16 h后的正极材料, 保持了完好的球形形貌, 具有最佳的层状结构和电化学性能, 振实密度最大(2.98 g/cm3), 首次放电容量为202.4 mAh/g, 倍率性能佳, 在3
Spherical Ni0.8Co0.1Mn0.1(OH)2precursors with a high tap-density and a narrow size-distribution were synthesized
随着锂离子电池应用范围的推广, 商品化的LiCoO2因成本高、比容量较低、毒性大、高电压下稳定性差而难堪其任[ 1]. 富镍Li[Ni1- xM x]O2[ 2, 3](x≤0.2, M为过渡或金属元素)层状正极材料因其比容量高, 成本相对低, 毒性小、循环性能较好等优点, 有可能取代LiCoO2. 其中, LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2可看成LiNiO2、LiCoO2和LiMnO2的固溶体, 兼有三者的优点[ 2]. 相比于LiNiO2, Co掺杂可提高材料的二维有序结构; 而Mn的掺杂, 可进一步提高该材料的热稳定性[ 2]. 此外, 锂离子电池电极的电化学性能还强烈依赖于材料的颗粒形貌、颗粒尺寸大小以及颗粒尺寸的分布[ 2, 3, 4]. 近年来, 制备高致密, 均匀分布的球形电极材料颗粒引起了广泛的研究[ 2, 3]. 球形颗粒具有良好的流动性、分散性和可加工性, 有利于电极浆料的配制和电极片的涂覆, 而且比无规则颗粒更易包覆完整、均匀的表面修饰层, 为通过表面修饰进一步改善电化学性能提供了保证. 此外, 球形颗粒间接触面积小, 无团聚和架桥现象, 间隙较少, 可以提高材料的振实密度, 使电池在有限空间内可获得更高的容量[ 2, 3].
本工作采用共沉淀-固相烧结工艺制备了高致密、粒径分布均匀的球形正极材料LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2, 探讨了合成工艺对球形前驱体的制备的影响, 提出了球形颗粒形成机制, 并研究了烧结温度对最终正极材料的结构, 形貌和电化学性能的影响.
将NiSO4·6H2O、CoSO4·7H2O 及MnSO4·H2O按摩尔比(8:1:1)配成2.0 mol/L的溶液, 分别将金属盐溶液、氨水及NaOH溶液输入3.5 L连续搅拌反应釜中, 恒温55℃且在N2气氛下进行反应, 利用pH控制器调节pH值. 将反应所得的沉淀充分洗涤过滤, 在80℃下真空干燥24 h, 得到前驱体Ni0.8Co0.1Mn0.1(OH)2粉末. 按摩尔比1.06:1.00称取LiOH·H2O和前驱体, 充分混合均匀, 在O2气流保护的管式炉中焙烧: 预烧温度为480℃, 保温6 h; 然后在不同温度下焙烧16 h, 制得LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2粉体.
利用JEOL JSM-5610LV型扫描电镜观察颗粒表面形貌. 利用HITACHI S-4800型高分辨场发射扫描电镜研究颗粒表面微观结构. 利用JEOL JEM2100透射电镜研究颗粒内部结构. 采用X射线衍射仪(XRD, Model X′TRAX)研究样品晶体结构, 辐射源为CuK α, 扫描速度5 °/min, 扫描范围10°~80°. 元素分析采用Prodigy型电感耦合等离子光谱仪(ICP)进行测试. 采用STA 449C/6/F 热重-差热分析仪研究样品热性能, 气氛为O2, 升温速率为10 ℃/min. 粉末振实密度测试如下: 取干燥圆柱形小量筒(最小刻度为0.1 mL), 加入一定质量的测试粉末, 轻敲震击量筒底部, 使粉末在量筒里的体积不再发生变化, 粉末质量除以粉末体积即为振实密度(g/cm3).
将合成的正极材料、乙炔黑及聚偏二氟乙烯(PVDF)按质量比8:1:1充分混合均匀, 加入适量的NMP(N-methyl pyrrolidone; N-甲基吡咯烷酮)制作浆料, 混合均匀涂覆于铝箔(厚度16 μm)上, 于100℃真空下干燥12 h后冲成φ13 mm的正极片. 以金属锂片作负极, 隔膜为渗透性聚丙烯薄膜Celgard(3501), 电解液是1 mol/L的 LiPF6溶于体积比为1:1的EC(Ethylene carbonate; 碳酸乙二酯)和DMC(Dimethyl carbonate; 碳酸二甲酯)混合溶液. 在氩气手套箱中组装成CR2032纽扣电池. 采用Arbin BT2000电池性能测试仪在不同的倍率下进行恒流充放电测试, 电压范围为3.0~4.3 V.
在沉淀过程中, 由于Mn2+易氧化成Mn3+价(MnOOH)或Mn4+价(MnO2)[ 5], 因此反应须在惰性气氛下进行. 反应时间为16 h, pH=11.0, NH3/M=1.25 (NH3/M表示氨水与金属盐的摩尔量之比, M=Ni, Co, Mn), 在不同气氛下合成的前驱体的XRD图谱如图1所示. 在N2气氛下(图1(a)), 样品具有典型的β-M(OH)2(M=Ni, Co, Mn)层状结构, 晶形较好, 未出现无定形锰的氧化物沉淀, 三种金属离子达到均匀混合, 沉淀结晶较好. 衍射峰相对较宽, 主要由于前驱体的晶粒较小. 而在空气下(图1(b)), 在衍射角17º左右, 出现一个强的衍射峰, 表明制备过程中发生了氧化[ 6]. 因此, 若制备纯的单相β-Ni0.8Co0.1Mn0.1(OH)2, 必须排除反应溶液中的空气. 通过ICP对前驱体进行元素组成分析, 测试结果为Ni/Co/Mn=0.799/0.100/0.101, 可见该共沉淀能很好控制初始元素配比. 图2是在N2气氛下, 反应时间为16 h, NH3/M=1.25, 不同pH值条件下获得的前驱体的XRD图谱. 可以看出, 合成的前驱体都具有典型的β-M(OH)2层状结构, 无杂质峰, 说明pH值对产物结构几乎无影响.
图3(a~e)是在N2气氛下, pH=11.0, NH3/M=1.25时, 不同反应时间下前驱体的颗粒形貌图. SEM结果表明, 经过更长的反应时间(≥16 h), 颗粒逐渐由不规则颗粒转变为规则的球形二次颗粒, 且颗粒表面更光滑, 粒径分布更均匀. 但比较图3(d)和(e), 颗粒的形貌和粒径没有发生显著的变化, 可见当反应时间≥16 h后, 前驱体形貌和粒径趋于稳定.
在相同制备条件下, 不同反应时间制备的前驱体的振实密度如图4所示, 结果表明反应时间延长有利于提高粉体的振实密度, 反应24 h后, 粉体振实密度为2.39 g/cm3, 振实密度随时间变化规律符合颗粒形貌变化. 延长反应时间可提高振实密度, 因为: (1) 反应时间延长, 减少不规则二次颗粒, 从而有效减少颗粒间的团聚; (2) 反应时间延长有利于颗粒长大, 表面更光滑, 流动性更好, 经振动后, 较小粒径的颗粒可填充在大颗粒之间的空隙中, 有效减少颗粒间的空隙率, 从而提高粉体的振实密度.
在N2气氛下, pH=11.0, NH3/M=1.25时, 不同反应时间获得前驱体的XRD图谱如图5所示. 利用Scherer公式, 以(101)衍射峰的参数计算得到在反应时间为5、10和16 h的平均晶粒尺寸分别约为17.7, 18.3和19.6 nm, 这表明, 延长反应时间, 晶粒尺寸没有显著的变化. 这表明微米级二次球形颗粒主要由细小晶粒团聚而成, 而不是晶粒的长大. 为进一步确定这一点, 反应时间为16 h的前驱体表面微观结构如图6(a)所示. 图6(a)表明, 球形二次颗粒是由更小的一次针状颗粒团聚而成 (宽度160 nm左右, 长度500 nm左右). 利用透射电镜和电子衍射(图6(b))进一步对这些一次颗粒进行分析, 结果表明一次颗粒是由更细小的晶粒不定向团聚而成的多晶体. 通过上面结果, 球形二次颗粒形成过程可分为如下三个阶段: (1)通过沉淀反应, 形成细小核胚; (2)细小的核胚经过溶解或团聚形成多晶一次颗粒; (3)多晶一次颗粒进一步团聚, 且在不断搅拌条件下, 与反应器壁不断碰撞摩擦, 逐渐球形化并且长大.
为研究前驱体的热稳定性, 以及与LiOH·H2O在烧结过程中的反应机理, 对反应时间为16 h, pH=11.0, NH3/M=1.25条件下制备的前驱体和与LiOH·H2O混合粉体进行热分析(TGA/DSC). 热分析温度范围是50~900℃. 图7(a)))ture of i是前驱体的TGA/ DSC曲线, 图8是前驱体在不同温度处理下的XRD图谱. 从图7(a)中看出, 从50~100℃及100~200℃升温过程中, 失重率分别为0.75wt%和1.05wt%, 对应的DSC曲线出现比较宽的吸热峰, 这可能是颗粒表面吸附水脱出导致, 前驱体结构仍保持为β-M(OH)2结构(图8(a)). 当温度从200~300℃时, 对应的失重率为12.8wt%, 这是前驱体Ni0.8Co0.1Mn0.1(OH)2脱水反应导致生成氧化物Ni0.8Co0.1Mn0.1O(图8(b)), 反应可表示为: Ni0.8Co0.1Mn0.1O→Ni0.8Co0.1Mn0.1O+H2O. 当温度升到500℃时, 仍保持该氧化物结构(图8(c)), 且结晶性更高, 对应TGA曲线上失重率为4.5wt%. 当温度升高到700℃时, 除了主相NiO以外, 还存在些杂相(图8(d)), 这可能是Co和Mn形成了高价氧化物[ 7], 对应的质量损失为1.0wt%. 图7(b)是前驱体与LiOH·H2O混合物的TGA/DSC曲线,由图可见, 在50~180℃之间, TGA曲线上失重率是10.12wt%, 这阶段主要是前驱体表面吸附水和LiOH·H2O脱水. 在180~340℃之间, DSC曲线表现为一个较宽的失重峰, 表明前驱体较高的温度下开始发生脱水反应, 形成氧化物Ni0.8Co0.1Mn0.1O; 在420℃附近, 出现了吸热峰并有3.07wt%的失重, 此时主要发生LiOH脱水形成Li2O[ 8], 随着热处理温度进一步升高, Ni0.8Co0.1Mn0.1O和Li2O逐渐反应形成正极材料LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2. 由热分析可知, 前驱体与LiOH·H2O的固相反应伴随着脱水氧化过程, 因此在烧结过程中, 只有二者充分反应, 才能制备出晶形较好且球形的正极材料, 从而具有较好的电化学性能.
图9为烧结温度分别为650℃/700℃/750℃/ 800℃/850℃(对应样品分别表示为: s65/s70/s75/ s80/s85) 所制得LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2的XRD图谱. 结果表明, 不同焙烧温度下的材料均属于六方晶系, 具有典型的α-NaFeO2层状结构, 空间群为R-3m, 衍射峰尖锐, 有较高的结晶性. 在低于700℃所制备的材料衍射峰强度相对较弱, 且衍射峰宽化相对较大, 这主要是焙烧温度较低, 晶粒相对较小的原因, 如表1所示. LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2具有与LiNiO2类似的层状结构, 3a位置上的Li+与3b位置上的Ni2+由于半径大小类似, 容易发生混排[ 9], 会恶化材料的电化学性能. 衍射峰(003)与(104)的强度比能反映层状结构的阳离子混排程度, 一般认为 I(003)/ I(104)>1.2时, 材料的混排程度较小, 具有理想的层状结构[ 8]. 不同焙烧温度下材料的XRD衍射峰(003)与(104)的强度比如表1所示. 所有样品均具有较小的阳离子混排度, 样品s75具有最低的阳离子混排. 在高的焙烧温度下, 尽管制得的材料具有高的结晶性, 但高焙烧温度会导致高的阳离子混排程度. 此外(006)/(102)及(108)/(110)双峰均分裂明显, 说明具有高度有序的层状结构.
在焙烧温度为700、750、800、850℃下, 样品颗粒形貌如图10所示. 从低倍SEM照片可看出, 与前驱体类似, 样品均为球形颗粒. 从高倍SEM照片可看出, 球形颗粒是由一次颗粒团聚而成. 当焙烧温度达到850℃时, 球形形貌有恶化的趋势, 颗粒之间发生团聚. 导致这样的结果可能是随着焙烧温度的升高, 一次颗粒不断长大, 造成相邻的颗粒之间熔合. 此外, 根据图10(h)和表1, 高的烧结温度下, 一次颗粒的晶粒尺寸更大, 从而延长锂离子扩散路径, 降低材料的倍率性能. 不同烧结温度下材料的振实密度如表1所示, 样品s75具有最大的振实密度(2.98 g/cm3). 样品s75颗粒透射电镜图如图10(i)所示, 二次颗粒由大量的一次颗粒组成(大小在500 nm~1.2 μm), 晶粒发育完全, 一次颗粒之间团聚疏松, 存在较多空隙, 这不仅有利于电解液在材料内部充分润湿, 提高材料的反应活性, 而且这种疏松结构能够更好地承受Li+在脱嵌过程中所引起的体积变化[ 10]. 通过XRD和SEM研究, 样品s75具有最低离子混排、结晶性良好和较小的一次颗粒, 完好的球形形貌.
图11(a)是不同焙烧温度下LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2的首次充放电曲线图(0.1 C, 1 C=180 mA/g). 图11(b)是样品在不同电流大小下放电曲线, 测试过程中, 先以0.1 C电流循环两次, 活化电池, 然后以0.2 C倍率充电, 再以不同的倍率电流放电. 由图11(a)和(b)可知, 样品s75具有最高首次放电容量(202.4 mAh/g)和最佳的倍率性能(在3 C的放电电流下放电容量为174.1 mAh/g). 比较各材料电化学性能发现, 样品s65容量较低, 尤其在大电流放电下, 容量衰减很快, 这可能是焙烧温度过低, 晶粒发育不完整, 晶体结构不稳定, 造成较差的电化学性能; 而样品s85可能由于烧结温度过高, 损锂较严重(见表1), 导致初始容量过低, 同时一次颗粒较大, 导致差的倍率性能. 通过XRD、SEM, 首次充放电和倍率性能研究表明合适的烧结温度在700~800℃. 进一步研究了s70、s75和s80在室温下循环性能, 如图11(c)所示. 样品具有良好的循环性能, 尤其是样品s75, 具有最佳的循环性能, 在40次循环后, 放电容量保持率为92.3%, 且放电容量最大, 这可能归因于在该温度下制得的材料具有合适的结晶性, 最低的离子混排以及较小的一次颗粒. 与其它三元氧化物(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2[ 11])相比, LiNi0.8Co0.1Mn0.1O2(s75)样品的放电比容量更高, 且具有较好的容量保持率. 此外, 通过该共沉淀能实现元素在原子级别均匀混合和控制球形颗粒形貌, 最终材料具有合适的结晶性和较小的一次颗粒, 从而提高材料的倍率和循环性能.
1) 以氨水为络合剂, 通过共沉淀法制备了高致密,均匀分布的球形前驱体Ni0.8Co0.1Mn0.1(OH)2颗粒. 利用XRD、SEM和TEM, 分析了球形前驱体的形成机制及微观结构特征, 球形颗粒是由纳米级一次颗粒团聚形成, 而不是晶粒的长大.
2) 反应时间对颗粒形貌, 粒径分布有显著影响, 当反应时间≥16 h时, 产物为致密的球形颗粒; 进一步延长反应时间, 颗粒形貌和粒径无显著变化.
3) 焙烧温度对正极材料结构、形貌和电化学性能有显著的影响; 在焙烧温度为750℃下, 制得的正极材料的晶粒发育完全, 结晶度较高, 一次颗粒较小, 且具有完好的球形颗粒形貌, I(003)/ I(104)值最大(1.628), 振实密度最大(2.98 g/cm3), 首次放电容量为202.4 mAh/g, 倍率性能佳, 在3 C的放电电流下为174.1 mAh/g, 且循环性能优良, 在40次循环以后, 放电容量保持率为92.3%.
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