LiMn0.8Fe0.2PO4/C纳米复合材料的制备与电化学性能研究
苏婧, 吴兴隆, 郭玉国
中国科学院 化学研究所 分子纳米结构与纳米技术院重点实验室, 北京100190
郭玉国, 研究员. E-mail:ygguo@iccas.ac.cn

苏 婧(1986-), 女, 博士研究生. E-mail:sujing@iccas.ac.cn

摘要

结合溶胶-凝胶和高温固相合成方法成功制备了橄榄石结构的LiMn0.8Fe0.2PO4/C固溶体材料, X射线粉末衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)表征结果表明纳米尺度的LiMn0.8Fe0.2PO4颗粒均匀分散于原位形成的碳导电网络中。将该纳米复合材料用作锂离子电池正极材料时, 充放电曲线中除了对应于Fe3+/Fe2+电对的较短平台(~3.5 Vvs Li+/Li)外, 更高电压的长平台(~4.1 Vvs Li+/Li)对应于LiMn0.8Fe0.2PO4晶格中Mn随Li+脱出嵌入的氧化还原反应, 该高的电压平台可明显提高相应锂离子电池的能量密度。此外, 使用恒电流间歇滴定技术(GITT)和电化学阻抗谱(EIS)详细研究了LiMn0.8Fe0.2PO4/C电极中锂的化学扩散行为, GITT和EIS所得的锂化学扩散系数DLi分别为5×10-15 ~ 1×10-14 cm2/s和1.27×10-13 ~ 2.11×10-13 cm2/s。研究结果表明,DLi值随测试温度的升高而增加, 因此可以通过提高工作温度来改善该类材料的电化学性能。

关键词: LiMn0.8Fe0.2PO4/C纳米复合材料; 恒电流间歇滴定技术; 电化学阻抗谱; 锂化学扩散系数; 锂离子电池
中图分类号:TQ174   文献标志码:A    文章编号:1000-324X(2013)11-1248-07
Preparation and Electrochemical Properties of LiMn0.8Fe0.2PO4/C Nanocomposite
SU Jing, WU Xing-Long, GUO Yu-Guo
CAS Key Laboratory of Molecular Nanostructure and Nanotechnology, Institute of Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China
Abstract

Olivine-structured LiMn0.8Fe0.2PO4/C solid solution was successfully prepared by a Sol-Gel approach combined with a high-temperature solid-state reaction, and characterized by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscope (SEM) and transmission electron microscope (TEM). The results revealed that LiMn0.8Fe0.2PO4 nanoparticles were evenly dispersed in thein-situ formed carbon conductive network. When the nanocomposite served as a cathode material for lithium-ion batteries (LIBs), except a short plateau (~3.5 Vvs Li+/Li) ascribed to Fe3+/Fe2+ couples in the charging/discharging profile, the long plateau at higher voltage (~4.1 Vvs Li+/Li) is corresponding to the redox reaction of Mn during the Li+ extraction/insertion in the LiMn0.8Fe0.2PO4 lattice, and this high voltage plateau can significantly enhance the energy density of relevant LIBs. In addition, the chemical diffusion behavior of lithium in the LiMn0.8Fe0.2PO4/C electrode was investigated in detail using galvanostatic intermittent titration technique (GITT) and electrochemical impedance spectroscope (EIS), and the chemical diffusion coefficients of lithium,DLi, obtained by GITT and EIS were 5×10-15 -1×10-14 cm2/s and 1.27×10-13 - 2.11×10-13 cm2/s, respectively. The results indicate that the value ofDLi increases with elevated test temperature, and it can be inferred that the electrochemical properties of such materials can be improved by raising the working temperature.

Keyword: LiMn0.8Fe0.2PO4/C nanocomposite; galvanostatic intermittent titration technique; electrochemical impedance spectroscopy; chemical diffusion coefficient of lithium; lithium-ion battery

锂离子电池具有工作电压高、能量密度大、循环寿命长、无记忆效应、对环境污染小及自放电率低等特点, 已在便携用电设备如移动电话、摄像机、笔记本电脑甚至交通工具等应用上占据了较大的份额[ 1, 2, 3]。目前, 商品化锂离子电池中主要使用的正极活性材料为层状结构钴酸锂, 但是它存在毒性较大、安全性能较差和钴资源稀缺等问题, 因此人们一直致力于寻找绿色环保且价格低廉的替代品[ 4]

在已开发出的各类新型正极材料中, 橄榄石型LiFePO4因结构稳定、比容量高(170 mA h/g)及铁资源丰富等诸多优点, 已成为最具潜力的锂离子电池正极材料之一[ 5, 6, 7]。然而, LiFePO4充放电过程中电压平台相对较低(~3.5 V)导致其电池的能量密度难以提高, 从而严重地限制了其在高能量密度锂离子电池中的应用[ 8]。为了提高LiFePO4电池的工作电压, 选择具有更高氧化还原电位的Mn、Co或Ni等过渡金属元素来部分取代晶格中的Fe元素是一种切实可行的途径。例如, Li xMn yFe1- yPO4[ 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16]固溶体作为锂离子电池正极材料时, 不仅能够发挥出较高的放电容量, 而且可以表现出位于~4.1 V处对应于Mn3+/Mn2+的放电平台, 从而提高了相应电池的工作电压。另外, 磷酸金属锂材料本身所表现出来的电子导电性差[ 6]和锂扩散系数低[ 17]等缺点, 严重地限制了其在高功率锂离子电池中的应用[ 18], 这可以通过减小粒径[ 11, 16, 19, 20]、包覆导电性材料[ 13, 21, 22, 23]或掺杂[ 24]等方法来有效地解决。

化学扩散系数通常用于描述可移动物质在一定浓度下的传输特性。对于锂离子电池体系来说, 锂在工作电极尤其是电极活性材料晶格中的扩散行为通常是决定电池性能的关键因素。因此, 深入研究橄榄石结构固溶体材料中锂的扩散行为并确定化学扩散系数( DLi)对理解电极材料的本征动力学性能是非常重要的[ 25]。目前, 恒电流间歇滴定技术(GITT)和电化学阻抗谱(EIS)被广泛用于计算 DLi[ 17, 26, 27, 28]

本工作通过溶-胶凝胶法结合高温固相法制备得到LiMn0.8Fe0.2PO4/C纳米复合材料, 其中LiMn0.8Fe0.2PO4纳米颗粒均匀分散于原位形成的碳导电基底中。将其用作锂离子电池正极材料时, 它表现出优异的电化学性能。采用GITT和EIS计算得到 DLi值, 并研究了固溶体的动力学性能。

1 实验部分
1.1 合成方法

为了制备LiMn0.8Fe0.2PO4/C纳米复合材料, 首先使用溶胶-凝胶法制备高温固相反应的前驱体。称取0.9 g F127嵌段共聚物(Aldrich)、10 mmol NH4H2PO4·H2O(北京化学试剂公司, 分析纯)、10.5 mmol LiAc·2H2O(Alfa Aesar, 分析纯)、0.5 g柠檬酸(国药集团化学试剂有限公司, 99.5%)、8 mmol MnAc2·2H2O (Alfa Aesar, 分析纯)和2 mmol FeC2O4·2H2O(Alfa Aesar, 99%)在剧烈搅拌下依次溶解于8 mL水和2 mL乙二醇的混合溶液中, 采用浓硝酸调节得到均匀透明的溶胶。该溶胶体系在60℃干燥后, 便得到多孔的凝胶固体。然后, 将该凝胶前驱体在氩气气氛下400 ℃热处理8 h后, 冷却研磨压片并在氩气气氛下650 ℃再次热处理12 h, 便可制得LiMn0.8Fe0.2PO4/C纳米复合材料。

1.2 结构表征

所得样品的XRD分析利用Rigaku D/max-2500 (Cukα, λ=0.154056 nm, 40 kV, 200 mA)测得。样品的形貌和粒径通过场发射扫描电子显微镜(SEM, JEOL 6701F)和透射电子显微镜(TEM, Tecnai F20)来观察。拉曼测试在Thermo Scientific的DXR上激发波长为532 nm测得。碳含量通过Leco CS-344红外碳-硫仪测得。

1.3 电化学表征

工作电极的制备是将LiMn0.8Fe0.2PO4/C纳米复合活性材料、炭黑和粘结剂聚偏氟乙烯以7: 2: 1的质量比混合均匀后, 涂覆于铝箔集流体表面。使用Whatman的玻璃纤维(GF/D)作为隔膜, 锂片作为对电极。电解液为1 mol/L的LiPF6溶解于碳酸乙烯酯、碳酸二甲酯和碳酸甲乙酯以体积比为2: 3: 5的混合液中(天津金牛电源材料有限公司)。在充满氩气的手套箱中, 将对电极、隔膜和工作电极依次装入Swagelok型电池后, 注入电解液并密封, 得到可进行测试的半电池。电池的恒流充放电测试是在Arbin BT2000电池测试仪上以不同的电流密度进行, 电压区间为2.2~4.4 V( vs Li+/Li)。使用的C-倍率基于LiMn0.8Fe0.2PO4的理论容量(170 mA•h/g)。各电化学测试分别在不同温度(25℃、35℃、45℃和55℃)下进行。

2 结果与讨论
2.1 结构分析与形貌表征

LiMn0.8Fe0.2PO4/C复合材料的XRD谱图如图1(a)所示, 所有的衍射峰均对应于正交晶系的橄榄石结构, 且无杂峰存在, 表明合成的样品具有较好的晶相纯度。用谢勒公式对材料的(200)、(101)和(311)三组晶面进行计算, 结果显示晶粒的平均粒径在20~30 nm。另外, 在XRD图谱中没有观察到石墨化碳的衍射峰, 表明制得的LiMn0.8Fe0.2PO4/C结构中碳为无定形的。图1(b)是LiMn0.8Fe0.2PO4/C纳米复合材料的拉曼光谱测试结果, 其中800~1120 cm-1处的谱带对应于LiMn0.8Fe0.2PO4晶格内PO43-的对称伸缩模式[ 29], 而1170~1460 cm-1和1470~1730 cm-1处的谱带则分别为碳材料的D带(无序碳结构的拉曼振动)和G带(石墨化碳结构的拉曼振动)。以上XRD和拉曼光谱的表征结果表明, LiMn0.8Fe0.2PO4/C复合材料是由纳米尺度的LiMn0.8Fe0.2PO4和无定形碳所组成。通过红外碳-硫仪分析进一步测试了其精确的化学组成, 结果显示: 在该LiMn0.8Fe0.2PO4/C纳米复合材料中, 碳含量为13wt%, LiMn0.8Fe0.2PO4的含量为87wt%。

图1 LiMn0.8Fe0.2PO4/C纳米复合材料的XRD图谱(a)和拉曼光谱(b)Fig. 1 XRD pattern (a) and Raman spectrum (b) of the LiMn0.8Fe0.2PO4/C nanocomposite

使用SEM和TEM技术进一步表征和分析了LiMn0.8Fe0.2PO4/C复合材料的形貌和组成。如SEM图像(图2(a))所示, 样品的颗粒尺寸在亚微米到微米之间, 表明样品具有微米-纳米复合的结构, 纳米尺度可以加快电化学反应动力学, 微米尺度又可保证电极良好的加工性能。如TEM (图2(b))所示, 该LiMn0.8Fe0.2PO4/C是由30 nm左右的LiMn0.8Fe0.2PO4纳米颗粒均匀分散于碳网络中所形成, 其中具有高电子导电性的碳有望解决活性材料导电性差的问题, 从而提高其倍率性能[ 6]

图2 LiMn0.8Fe0.2PO4/C纳米复合材料的SEM(a)和TEM照片(b)Fig. 2 SEM (a) and TEM (b) images of the LiMn0.8Fe0.2 PO4/C nanocomposite

2.2 电化学性能

为了测试LiMn0.8Fe0.2PO4/C纳米复合材料在锂离子电池中的潜在应用, 首先对其在25℃下脱嵌锂过程中的电化学行为进行了研究。由于在2.2~4.4 V( vsLi+/Li)的电压区间内, 碳材料的容量贡献几乎可以忽略不计。因此, 在计算LiMn0.8Fe0.2PO4/C材料的比容量时, 可以只考虑活性LiMn0.8Fe0.2PO4组分的质量。当倍率为0.05 C(在20 h内完成充电或放电过程)时, LiMn0.8Fe0.2PO4/C样品前10次的充放电曲线如图3(a)所示。充放电曲线中均有两个电压平台,分别对应于Fe3+/Fe2+和Mn3+/Mn2+氧化还原电对。样品的首次放电比容量为147 mAh/g, 在循环10次后容量稳定在144 mAh/g左右。图3(b)和3(c)所示不同倍率下的充放电测试结果表明, 当充放电电流密度提高40倍(从0.05 C到2 C)时, 该LiMn0.8Fe0.2PO4/C纳米复合材料的容量保持率仍达54%(从144 mA h/g到78 mA h/g), 表现出较为优异的倍率性能。此外, 当循环60次后电流重新回到0.05 C时, 电极能够恢复其可逆容量至142 mAh/g, 表明LiMn0.8Fe0.2PO4/C纳米复合材料在高倍率长时间循环后仍具有良好的稳定性。同时, 该LiMn0.8Fe0.2PO4/C纳米复合材料具有良好的循环能力。如图3(d)所示, 在0.1 C的倍率下充放电130次后, 其可逆放电容量没有明显的衰减, 保持在135 mAh/g左右。

图3 LiMn0.8Fe0.2PO4/C纳米复合材料在2.2~4.4 V( vs Li+/Li)电压范围内25℃下的电化学性能Fig. 3 Electrochemical characterization of the LiMn0.8Fe0.2PO4/C nanocomposite in the voltage range of 2.2-4.4 V ( vs Li+/Li) at 25℃:(a) Galvanostatic charge/discharge profiles at 0.05 C for the first 10 cycles; (b) Charge/discharge curves at various charge/discharge rates; (c) Rate performance; (d) Cycling performance at 0.1 C

LiMn0.8Fe0.2PO4/C纳米复合材料中Mn和Fe表现出高的电化学活性, 主要在于: 1)橄榄石材料本身高度稳定的晶格结构; 2)LiMn0.8Fe0.2PO4颗粒在纳米尺度内, 保证了锂嵌入脱出时较快的动力学; 3)结构中的碳导电网络可以充分且有效地传输锂离子和电子; 4)碳网络有利于均匀分散的活性颗粒与电解液间的充分接触, 从而降低界面接触电阻[ 16]

2.3 GITT测试

采用GITT[ 30]及相关电压弛豫分析技术[ 31]对LiMn0.8Fe0.2PO4/C纳米复合材料进行了动力学分析。GITT测试是通过在恒定的电流密度4.25 mA/g(0.025 C)下对电池充电1 h, 然后弛豫4 h来达到近平衡状态, 一直重复该过程直到达到电压极限4.4 V。图4为电极在25℃下充电至3.576 V的单个GITT滴定曲线, 其中, 过电势(△ V)是弛豫阶段中初始电压( φo)和平衡态电压( φ)间的差值, 表示电极的极化。化学扩散系数( DLi)根据下述扩散公式通过拟合每段电压弛豫曲线计算得到:

图4 25℃下电极充电至3.576 V( vs Li+/Li)的单个滴定曲线和相应ln[exp( φ- φ)F/R T-1]与时间的曲线(插图)Fig. 4 A single titration when the electrode is charged to 3.57573 V ( vs Li+/Li) at 25℃ and corresponding curve of ln[exp( φ- φ)F/R T-1] vs t (inset)The dash line indicates the linear fitting result

图4中的插图所示, 通过拟合ln[exp( φ- φ) F/R T-1]与时间的曲线得到斜率: -4.492 DLi/ r02, 进而计算得到 DLi。此处, r0是锂离子的扩散长度, 取自研究样品的平均粒子直径, 即30 nm。值得指出的是,由于该过程的本质是相转变, 因此从电压弛豫曲线所得的 DLi不能被认为是通常的化学扩散系数。但是, 它可以作为动力学的参数表示体系达到平衡态的速度, 这是由相转变过程中相边界运动的动力学决定的[ 27]

图5所示, GITT曲线中除了Fe3+/Fe2+电对的较短平台(~3.5 V)外, ~4.1 V处的长平台对应于LiMn0.8Fe0.2PO4晶格中Mn元素随Li+脱出嵌入的氧化还原反应, 该高的电压平台可明显提高相应锂离子电池的能量密度。 DLi的值在5×10-15~1×10-14 cm2/s范围内, 平台区的扩散系数相对较低, 与文献所报道的结果相一致[ 32]。以上结果表明固溶体的动力学行为非常复杂, 需要对不同组分二元、三元和四元橄榄石固溶体进行更深一步系统的研究来阐明固溶体状态对多过渡金属磷酸盐动力学的影响。

图5 LiMn0.8Fe0.2PO4/C电极在25℃下充电时的GITT和表观扩散系数曲线Fig. 5 GITT and apparent chemical diffusion coefficient curves of the LiMn0.8Fe0.2PO4/C electrode in the charging process at 25℃

2.4 EIS测试

电化学阻抗谱是研究锂离子嵌入/脱嵌动力学的有力工具。图6(a)所示为LiMn0.8Fe0.2PO4/C纳米复合材料在开路时不同测试温度25 ℃、35 ℃、45 ℃和55 ℃下于100 mHz~100 kHz范围内的阻抗谱, 等效拟合电路如插图所示。高频区 Zre轴上的截距对应于电解液和电极的结合阻抗( Re), 高-中频区的半圆对应于电极-电解液界面的电荷转移阻抗( Rct), 低频区的斜线对应于锂离子扩散过程或所谓的Warburg扩散( Zw)。通过拟合曲线, 可以得出不同温度下的 Re Rct。正如可以预期的, Re Rct随着温度的升高逐渐减小, 结果如表1所示。

图6 LiMn0.8Fe0.2PO4/C电极在不同测试温度下的(a)阻抗谱和等效拟合电路(插图) (100 MHz~100 kHz)(b)低频区 Zre ω-1/2的曲线和相应的线性拟合Fig. 6 (a) The impedance spectra (100 mHz -100 kHz), equivalent circuit used for curve fitting is shown inset. (b) Zre vs ω-1/2 at low-frequency region and corresponding linear fitting of LiMn0.8Fe0.2PO4/C electrode at various test temperatures

表1 不同测试温度下LiMn0.8Fe0.2PO4/C电极采用等效电路所得的阻抗参数和锂扩散系数 DLi Table 1 Impedance parameters derived using equivalent circuit model and lithium diffusion coefficient DLi of LiMn0.8Fe0.2PO4/C electrode at various test temperatures

LiMn0.8Fe0.2PO4/C电极在不同测试温度下的锂扩散系数可以通过公式 D= (R2 T2)/(2 A2 n4F4 C2 σ2) 计算得出[ 33]。其中, R为气体常数, T为绝对温度, A为正极的表面积, n为每个分子中参加氧化反应的电子数( n=1), F为法拉第常数, C为电极中的锂离子浓度(7.69×10-3 mol/cm3), σ 为与 Zre相关的Warburg因子: Zre = Re + Rct + σω-1/2图6(b)为LiMn0.8Fe0.2PO4/C在不同测试温度下低频区 Zre ω-1/2所做的直线和相应的线性拟合, 斜率为 σ。计算所得的 σ 和扩散系数也列于表1中, DLi的值在1.27×10-13~2.11×10-13 cm2/s范围内。同时可以看出随着测试温度的升高, LiMn0.8Fe0.2PO4/C电极的 DLi值逐渐增加, 因此可以通过提高工作温度来改善该类材料的电化学性能。实验中进一步测试了LiMn0.8Fe0.2PO4/C电极在55℃下的充放电曲线, 其基本形状与25 ℃下的相类似, 可逆容量可达163 mAh/g, 与推断结果相一致。

需要指出的是, 采用EIS和GITT这两种方法测得的锂的扩散系数实际上是包括电极材料在内的整个电极体系的表观扩散系数, 而两者之间通常还会有一定的偏差。由于阻抗谱中Warburg部分的斜线会偏离45°, 使得通过EIS拟合出的 DLi值一般比较大。所以在多数情况下, GITT所测得的 DLi值比EIS方法更为可取[ 28]

3 结论

结合溶胶-凝胶法和高温固相法成功制备了橄榄石结构的LiMn0.8Fe0.2PO4/C锂离子电池正极材料。电化学测试结果表明, 在2.2~4.4 V电压范围内, 固溶体中的Mn和Fe显示出高的电化学活性, 主要归因于纳米尺寸的LiMn0.8Fe0.2PO4颗粒均匀镶嵌于原位形成的碳导电网络中。在恒流充放电和GITT曲线中均能清晰看到分别对应于Mn3+/Mn2+和Fe3+/Fe2+氧化还原过程的两个电压平台。通过GITT和EIS计算所得锂扩散系数分别在5×10-15 ~ 1×10-14 cm2/s和1.27×10-13 ~ 2.11×10-13 cm2/s范围内。LiMn0.8Fe0.2PO4/C电极的 DLi值随测试温度的升高而增加, 表明在高温下该纳米复合材料的电化学性能得到改善。

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