Li1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2@V2O5核壳复合材料的制备及其电化学性能
聂文波, 肖其昌, 王京亮, 雷钢铁, 肖启振, 李朝晖
湘潭大学 化学学院, 环境友好化学与应用教育部重点实验室, 湘潭411105
李朝晖, 教授. E-mail:lzh69@xtu.edu.cn

聂文波(1986-), 男, 硕士研究生. E-mail:363478547@qq.com

摘要

采用溶胶-凝胶技术在富锂锰基固溶体Li1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2表面包覆V2O5, 制备了Li1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2@V2O5核壳复合材料。通过扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)观察其形貌, X射线衍射(XRD)分析确定其结构。结果显示, 结晶态的V2O5均匀包覆在类球形Li1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2颗粒表面, Li1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2材料的晶体结构在包覆前后保持不变。X射线光电子能谱(XPS)分析结果表明, 该核壳复合材料首次充电时, 锂离子嵌入V2O5包覆层。电化学测试结果表明, 表面包覆15%V2O5的核壳复合材料具有最佳的电化学性能: 0.1C倍率下放电比容量为276 mAh/g, 首次充放电库仑效率达到94%, 50次循环后容量保持率达89%。

关键词: 富锂锰基固溶体; 表面包覆; 核壳结构; 库仑效率; 锂离子电池
中图分类号:TQ174   文献标志码:A    文章编号:1000-324X(2014)03-0257-07
Preparation of Li1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2@V2O5 Core-shell Composite and Its Electrochemical Properties
NIE Wen-Bo, XIAO Qi-Chang, WANG Jing-Liang, LEI Gang-Tie, XIAO Qi-Zhen, LI Zhao-Hui
Key Laboratory of Environmentally Friendly Chemistry and Applications of Ministry of Education, College of Chemistry, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China
Abstract

Li1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2@V2O5 core-shell composite was prepared by coating V2O5 on the surface of the lithium-rich manganese-based solid solution Li1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2 particles through Sol-Gel technology. Its morphology was observed by using scanning electronic microscope (SEM) and transition electronic microscope (TEM) while the crystal structure was calculated from the results of the X-ray diffraction (XRD). It is found that the quasi spherical core-shell composite is coated homogeneously with the crystalline V2O5 nanoparticles. The crystal structure of Li1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2core is maintained after the surface coating. XPS spectra suggest that Li+ ions intercalate the crystal structure of the V2O5 shell during the first charge. The electrochemical measurements show that the core-shell composite being coated with 15% V2O5 could deliver an initial capacity of 276 mAh/g at the rate of 0.1C accompamied by a coulombic efficiency of 94%. It can remain 89% of the initial capacity after 50 charge/discharge cycles.

Keyword: Li-rich manganese-based solid solution; surface coating; core-shell structure; coulombic efficiency; lithium-ion battery

近年来, 电动汽车一直是国家科技部大力支持的重大科技项目。作为电动汽车的核心部件, 动力电池起着至关重要的作用。锂离子电池具有高能量密度、长寿命、环境友好等优点, 已经成为现阶段电动汽车的首选电源。其中, 锂离子电池的负极材料, 如工业化的石墨, 开发中的硅、合金以及金属氧化物等都具有非常高的比容量; 而正极材料LiCoO2、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、LiMn2O4和LiFePO4等比容量均不超过200 mAh/g。因此, 人们必须大力开发具有更高能量密度的新型正极材料, 以提高电池的能量密度, 并降低电池成本[ 1]

富锂锰基固溶体 xLi2MnO3·(1- x)LiMO2(M为Co、Ni、Mn、Fe、Cr等元素中的一种或几种)具有工作电压高(>3 V)、比容量高(~300 mAh/g)等优点, 被认为是动力锂离子电池的下一代正极材料, 成为近十年的研究热点[ 2, 3, 4]。但是, 它在首次充电至4.5 V时, 伴随Li2O从晶格中脱出, 而产生较大的不可逆容量损失, 导致首次充放电库仑效率低[ 5, 6]。为了解决此问题, 人们开展了大量的研究工作, 包括表面包覆[ 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14]、预处理[ 15, 16, 17]、少量稀土元素掺杂[ 18]以及与锂受体型正极材料共混复合[ 19, 20, 21]。其中, 在富锂锰基固溶体表面包覆锂受体型正极材料, 容纳首次充电时脱出的、不可回嵌的大量锂离子, 从而降低首次充放电过程中的不可逆容量损失, 是一种有效的方法。

尽管已有文献报道, 富锂锰基固溶体与V2O5复合可以改善其首次充放电库仑效率[ 19], 但是文献[19]中无定形V2O5未均匀包覆在固溶体颗粒表面, 且无定形V2O5的嵌-脱锂可逆性差, 导致其循环性能不佳。另外, 关于表面包覆结晶态V2O5改善富锂锰基固溶体的首次充放电库仑效率和循环性能的工作鲜有报道。本工作在Li1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2(0.5Li2MnO3·0.5LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2)电极材料表面包覆结晶态V2O5纳米层, 合成核壳复合材料。通过循环伏安测试、交流阻抗测试和恒流充放电测试, 研究核壳复合材料中V2O5对首次充放电库仑效率和循环性能的影响。

1 实验方法
1.1 试剂

醋酸锰、醋酸钴、醋酸镍和醋酸锂均从上海国药集团购买, 柠檬酸和草酸从广东汕头西陇化工厂购买, 偏钒酸铵从湘中精细化学品厂购买, 所有试剂均为分析纯。

1.2 分析与测试

采用场发射扫描电镜(FESEM, Hitachi S-4800)和高分辨分析透射电子显微镜(TEM, Jeol JEM-2010)观察颗粒形貌, 加速电压分别为15 kV和200 kV。采用多晶粉末高级衍射仪(Bruker D8)对材料进行物相分析, 以 Cu Kα为辐射源(λ=0.15406 nm), 工作电压和工作电流分别为45 kV和50 mA。X射线光电子能谱(XPS, Perkin Elmer PHI 5000C ESCA), 单色Al Kα (1486.6 eV)光源, 以C1s (284.6 eV)为标准。循环伏安测试在EG&G 273电化学分析系统上进行, 首次扫描起始电位均为模拟电解池的开路电压, 在2.0~4.8 V区间以0.2 mV/s的速度扫描。恒流充放电测试在Arbin 2000电池测试仪上进行, 电流密度为30 mA/g。

1.3 Li1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2@V2O5核壳复合材料的制备

采用溶胶-凝胶法合成Li1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2[ 22]。首先, 按化学式的摩尔计量比分别称取醋酸锰、醋酸钴和醋酸镍溶于适量去离子水中。然后, 在80℃恒温水浴中, 不断搅拌下缓慢滴加醋酸锂和柠檬酸的混合溶液(醋酸锂的质量稍过量化学式计算量的5%, 柠檬酸用量为所有金属离子摩尔数的10%), 滴加完后用氨水调节混合溶液的pH为7.0~8.0, 置于80℃恒温箱中凝胶。升温至100℃干燥后, 在450℃空气气氛中预烧10 h, 研磨压片后再在空气气氛中900℃煅烧10 h, 快速冷却至室温得到Li1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2粉末。然后, 在去离子水中, 加入相当于水质量10%的Li1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2粉末, 超声搅拌2 h。再按比例加入NH4VO3并溶解, 按文献[23]的方法制备V2O5溶胶, 100℃恒温干燥。最后, 得到的混合物经400℃空气煅烧4 h, 研磨过筛(25 μm), 得到Li1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2@V2O5核壳复合材料粉末。其中, 表面包覆0、5%、10%、15%和20% V2O5的核壳复合材料样品分别记为LMS0、LMS1、LMS2、LMS3和LMS4。

按前述包覆层的合成方法制备纯V2O5电极材料。

1.4 研究电极的制备和电池组装

将核壳复合电极材料与乙炔黑、PVDF按质量比80:10:10混合, 加入适量N-甲基吡咯烷酮(NMP), 搅拌, 调制成均匀浆料, 均匀涂布于铝箔上, 120℃真空干燥过夜, 冲裁成φ12 mm的电极圆片。在手套箱中, 将制作的电极片、Celgard 2300多孔膜和锂片组装成CR 2016型扣式电池, 电池中滴加高压电解液(LBC326, 深圳新宙邦公司)。

2 结果与讨论
2.1 XRD分析

图1为样品LMS0、LMS3及V2O5的XRD图谱, 由图可知, 未包覆样品Li1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2(LMS0)中, 衍射峰2 θ=18.8°、36.9°、37.8°、38.5°、44.7°、48.8°、58.8°、64.3°、65.4°和68.7°分别对应(003)、(101)、(006)、(012)、(104)、(015)、(107)、(018)、(110)和(113)晶面。这些特征衍射峰表明, 此材料属于六方晶系、R m空间点群, 具有典型的α-NaFeO2层状岩盐结构[ 22]。位于20.1°和21.7°的微弱衍射峰对应(020)和(110)晶面, 表明Li2MnO3组分中Li与Mn按1:2的比例交替排列形成的一种超晶格有序排列, 归属于单斜晶系、C2/m点群[ 24]图1中(003)与(104)衍射峰强度的比值( I(003)/ I(104))为1.30, (006)/(012)和(018)/(110)两组衍射峰分裂明显, 说明制备的Li1.2Mn0.54­Co0.13­Ni0.13O2具有良好的层状结构。在其表面包覆V2O5后, 属于富锂锰基固溶体结构的所有特征衍射峰的位置基本不变, 表明经过400℃热处理后, 复合材料中富锂锰基固溶体的晶体结构保持不变。根据高温煅烧的V2O5的XRD特征衍射峰[ 23], 从图1可以看出V2O5属于斜方相、Pmmn空间点群 (JCPDS 41-1426), 在复合材料中, 其(110)晶面对应的衍射峰(26.1°)消失, (200)晶面对应的衍射峰15.2°负移至13.9°。由布拉格方程2 d·sin θ= λ, 可以计算出(200)晶面的层间距由0.29 nm增大到0.32 nm。消失的特征衍射峰表明, V2O5在富锂锰基固溶体表面结晶生长时, 某些晶面的生长受到抑制, 图中用*标注的XRD衍射峰仍可归属于V2O5

2.2 形貌分析

图2为Li1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2材料和Li1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2@V2O5核壳复合材料(LMS3)的SEM照片, 图3为核壳复合材料LMS3的TEM照片及其EDX分析结果。图2(a)显示, 未包覆的Li1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2材料表面光滑, 颗粒为类球形, 粒径尺寸为100~300 nm, 有一定程度的团聚现象。包覆V2O5后的样品颗粒表面变得粗糙(图2(b))。V2O5溶胶经煅烧处理后, 生成粒径为10~20 nm的纳米颗粒(图3(b)), 沉积在富锂锰基固溶体颗粒表面, 形成均匀的约50 nm厚的包覆层(图3a)。包覆层不是非常均匀和致密, 一些裸露点引起富锂锰基固溶体与电解质溶液的接触, 这可能不利于核壳复合材料的循环性能, 但是包覆层疏松又有利于锂离子在电极材料表面的迁移。图3(c)为表面包覆层中V2O5晶粒的HRTEM照片, 可以看到其层间距约为0.32 nm。图3(d)为选定区域的EDX分析谱图, 结果显示表面包覆层为钒的氧化物。图中C、Al、Si和P元素可能来自透射电镜制样过程中引入的杂质。

图 1 V2O5、Li1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2@V2O5核壳复合材料(LMS3)和Li1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2(LMS0)的XRD图谱Fig. 1 XRD patterns of V2O5, Li1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2@V2O5 core-shell composite (LMS3) and Li1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2 (LMS0)

图2 Li1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2(a)和Li1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2@V2O5核壳复合材料(b)的SEM照片Fig. 2 SEM images of Li1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2(a) and Li1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2@V2O5 core-shell composite

图 3 Li1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2@V2O5核壳复合材料TEM照片(a, b), 包覆层中V2O5的HRTEM照片(c)及其EDX图谱(d)Fig. 3 TEM images of Li1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2@V2O5 core-shell composite (a, b), HRTEM image of the V2O5 in the shell (c) and its EDX spectrum (d)

2.3 XPS分析

图4为LMS3样品未充电(a)和首次充电至4.8 V后(b)的V2p2/3XPS图谱及其充放电前后的XRD图谱(c)。由图4可知, 未充电样品中位于517.6和516.4 eV的V2p3/2能带信号峰分别对应于V5+ 2p3/2和V4+ 2p3/2[ 25], 前者的积分面积远大于后者, 表明充电前V2O5包覆层的V元素主要为+5价。充电至4.8 V后, V2O5包覆层的V5+ 2p3/2和V4+ 2p3/2信号峰的位置基本不变, 但是V4+ 2p3/2信号峰的积分面积明显增大, 表明V2O5包覆层发生了电化学反应: V2O5 + xLi+ + xe- → Li xV2O5, 从而引起部分V元素价态的降低, 导致充电后核壳复合材料包覆层中+4价V元素的相对含量增加。由图4(c)可知, 样品首次充电至4.8V后, 16.5°、24.7°、50.5°和60.3°出现较明显的衍射峰(*标注), 可能是Li xV2O5的XRD衍射峰[ 26, 27, 28], x的数值大小还有待进一步研究, 该工作正在进行中。

图4 Li1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2@V2O5核壳复合材料(LMS3)未充电(a)和首次充电至4.8 V后(b)的V2p2/3 XPS图谱, 及其首次充电至4.8 V后XRD图谱(c)Fig. 4 XPS spectra of V2p2/3 in the Li1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2@V2O5core-shell composite (LMS3) before (a) and after (b) charged to 4.8 V in the first cycle, and their XRD patterns

2.4 电化学性能

图5为不同V2O5表面包覆量的Li1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2@V2O5核壳复合材料在2.0~4.8 V范围(a, b, c)和V2O5样品在2.0~4.5 V范围(d)的循环伏安曲线图。由图5可知, 随着V2O5包覆量的增加, 富锂锰基固溶体材料首次循环中两个特征氧化峰发生

较明显的变化。其中, 未包覆样品在第一次循环中, 于4.3 V和4.7 V出现两个氧化峰(图5a), 第二、三次循环中变化为4.0 V一个氧化峰。表面包覆5%的V2O5后, 样品位于4.7 V的氧化峰消失, 只有4.6 V一个氧化峰, 随后变化为4.2 V一个氧化峰(图5b)。随V2O5的表面包覆量增加至15%, 样品在首次循环中于4.4 V出现一个弱氧化肩峰, 随后基本消失(图5c)。此外, 由图5(d)可知, V2O5有多对氧化还原峰, 随着循环次数的增加, 峰形基本不变, 峰积分面积衰减程度低, 表明合成的V2O5有较好的循环性能。这些氧化还原峰在复合材料中均有所体现, 且随着循环次数的增加, 峰的形状保持, 峰的积分面积衰减程度也较低(图5c)。结果说明, 在核壳复合材料首次充电时, V2O5被嵌入Li+离子, 生成具有电化学活性的Li xV2O5; 在复合材料首次放电时, Li xV2O5脱出Li+离子, 补充富锂锰基固溶体首次放电的容量损失。因此, 首次循环中, 未包覆样品的氧化峰积分面积明显大于其还原峰积分面积; 而包覆15% V2O5的样品的还原峰积分面积与氧化峰积分面积相差无几。

图6为室温下、不同V2O5表面包覆量的Li1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2@V2O5核壳复合材料30 mA/g电流密度的首次充放电曲线, 其中插图为样品LMS3局部电压范围的放电曲线。由图6可知, 所有样品首次充电至4.5 V时, 充电曲线出现明显的电压平台。随着V2O5包覆量的增加, 样品的充电曲线中4.5 V电压平台缩短, 低于4.0 V范围的充电电压降低。这可能是由于充电时少量锂离子嵌入V2O5层间, 部分电子被消耗, 生成了具有电化学活性的Li xV2O5。因此, 核壳复合材料的首次充电容量随着V2O5包覆量的增加而降低。由于首次充电时, 核壳复合材料(LMS3)中的V2O5已经被嵌入锂离子, 所以其首次放电曲线在3.25、2.57和2.25 V出现电压平台, 相当于Li xV2O5的放电平台[ 23]

所有样品的首次充放电参数见表1, 由表中数据可知, 随着V2O5包覆量的增大, 核壳复合材料的充电容量逐渐降低, 而放电容量逐渐增高, 不可逆容量损失从未包覆样品的95 mAh/g逐渐减小到20%包覆样品的-1 mAh/g, 不可逆容量损失几乎为零, 库仑效率接近100%。核壳复合材料的不可逆容量损失降低的原因可能有以下两个方面: 一方面, V2O5作为主体材料能接受富锂锰基固溶体首次充电时脱出的Li2O; 另一方面, V2O5作为一种电化学活性物质, 单独作为电极材料在4.0~2.0 V电压区间放电时, 具有约300 mAh/g的容量[ 23]。因此, 表面包覆20%的V2O5后, Li1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2首次放电时的不可逆容量损失几乎为零, 同时放电容量还能保持为279 mAh/g。

图 5 样品LMS0(a)、LMS1(b)、LMS3(c)和V2O5(d)的循环伏安曲线Fig. 5 Cyclic voltammograms of the samples LMS0 (a), LMS1 (b), LMS3 (c) and V2O5 (d)

图6 Li1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2@V2O5核壳复合材料的首次充放电曲线Fig. 6 First charge/discharge profiles of the Li1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2@V2O5 core-shell compositesInset is local discharge curves of sample LMS3

在室温下, 以30 mA/g的电流密度充放电, Li1.2-Mn0.54Co0.13Ni0.13O2@V2O5核壳复合材料和V2O5的循环性能如图7所示。由图7可知, 随着循环次数的增加, 未包覆V2O5样品的容量衰减比包覆样品的快。50次循环后, 纯Li1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2材料放电容量为187 mAh/g, 容量保持率约72%; 表面包覆5%、10%、15%和20 % V2O5的核壳复合材料的放电容量分别为214、224、245和235 mAh/g, 对应的容量保持率分别为80%、82%、89%和85%。由于V2O5均匀包覆在固溶体颗粒表面, 该包覆层可以有效地阻碍富锂锰基固溶体颗粒与电解质溶液的直接接触, 从而降低其在循环过程中因Jahn-Teller效应生成的Mn2+的溶解速度[ 8, 12, 14, 29]; 此外, 实验制备Li1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2@V2O5核壳复合材料时, V2O5包覆层经

表1 Li1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2@V2O5核壳复合材料的首次充放电参数过高温处理具有较高的结晶度, 因此, 所得的核壳复合材料具有优越的循环性能。 Table 1 First discharge/charge parameters of the Li1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2@V2O5 core-shell composites in the first cycle

图 7 Li1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2@V2O5核壳复合材料及V2O5的循环性能Fig. 7 Cycling performances of the Li1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2@V2O5 core-shell composites and V2O5

图8为未包覆样品LMS0 (a)和包覆样品LMS3(b)充电至4.5 V后, 循环20次前后的交流阻抗谱的Nyquist曲线图。由图8可知, 曲线由一个变形的半圆和一条直线组成, 前者与电荷转移阻抗 Rct有关, 后者则与锂离子在电极固相的扩散过程有关。半圆的左端点对应的实阻抗 Zre数值为模拟电解池(即CR2016纽扣电池)的欧姆电阻 Rs, 右端点对应的实阻抗数值涉及电荷转移阻抗 Rct, 拟合的等效电路见图8(a), 由等效电路得到的阻抗参数列于表2中。分析表2数据可知, 循环20次后, 包覆样品的电荷转移阻抗明显低于未包覆样品。结果表明, 在循环过程中, 由于表面包覆层隔离了富锂固溶体电极材料和电解质溶液, 避免电解质溶液成分在电极材料表面生成钝化膜, 从而降低了电极材料表面生成SEI (sold electrolyte interface)膜的厚度。同时, 电极中原有微孔结构的变化小, 保证了锂离子的顺利扩散[ 14, 30]

图8 未包覆样品LMS0 (a)和包覆样品LMS3(b)在循环20次前后的Nyquist曲线Fig. 8 Nyquist curves of the pristine (a) and the core-shell samples (b) before and after 20 cycles

表2 等效电路的阻抗参数 Table 2 Impedance parameters of the equipment circuit
3 结论

在Li1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2材料表面成功地包覆了晶态V2O5, 制备了Li1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2@V2O5核壳复合材料。

1) 包覆V2O5后, 富锂锰基固溶体材料的晶体结构未发生改变, 所得核壳复合材料首次充电时, 锂离子嵌入V2O5包覆层, 放电时嵌锂V2O5放出容量, 弥补LiO2脱出固溶体晶格引起的不可逆容量损失, 提高了首次充放电的库仑效率。

2) 包覆15% V2O5的核壳复合材料0.1C倍率的首次充放电库仑效率达到94%, 放电比容量为276 mAh/g, 50次循环后容量保持率达89%, 循环性能最好。

因此, 在Li1.2Mn0.54Co0.13Ni0.13O2材料表面包覆晶态V2O5, 不仅可以提高首次充放电库仑效率, 而且能改善循环性能, 是一种值得深入研究的改性方法。

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