改进的电化学性能_1.25倪_0.2有限公司_0.333菲_0.133锰_0.333O₂阴极材料聚乙烯醇辅助溶胶-凝胶法合成了锂离子电池的过程

文摘

一个富锂manganese-based阴极材料,李_1.25倪_0.2有限公司_0.333菲_0.133锰_0.333O₂,准备使用聚乙烯醇(PVA)使用MnO辅助溶胶-凝胶过程₂作为一个模板。PVA含量的影响(0.0 - -15.0 wt %)的电化学性能和形态_1.25倪_0.2有限公司_0.333菲_0.133锰_0.333O₂被调查。分析李_1.25倪_0.2有限公司_0.333菲_0.133锰_0.333O₂x射线衍射模式由RIETAN-FP程序证实了分层α-NaFeO₂结构。李的放电容量和库仑效率_1.25倪_0.2有限公司_0.333菲_0.133锰_0.333O₂在第一个周期提高了PVA含量增加。特别是,最好的材料达到206.0 mAhg的首次放电容量⁻¹(74.8 mAhg和最佳速度能力⁻¹在5度)。与此同时,最高容量保留87.7% 50周期。最后,电化学阻抗谱显示,随着PVA含量的增加,电荷转移电阻降低。

1。介绍

锂离子电池技术的快速发展,传统的不可再生能源对环境的影响驾驶相当大的兴趣在高效的“绿色”能源存储设备1]。目前,新能源汽车的能源存储设备和各种电子设备(笔记本电脑、手机、电动工具、蓝牙设备,等等)通常使用锂离子二次电池(LIBs)。LiCoO₂是第一个阴极材料用于商业中因为其工作电压高、易于制备(2,3]。但成本高,和分层LiCoO的毒性₂限制其使用大规模大功率应用程序。可替换的阴极材料,李_1.2倪_0.2锰_0.6O₂,描写₂O₄,LiFePO₄,利尼_1/3有限公司_1/3锰_1/3O₂和利尼_0.8有限公司_0.15锰_0.05O₂,曾被合成4- - - - - -8]。尽管它不满意(120 - 140年mAhg能力⁻¹),分层结构利尼_x有限公司_y锰_{1−−x y}O₂被认为是一种很有前途的阴极材料由于其相对较低的成本和降低毒性(9,10]。为了解决容量问题,研究人员已经推出了一系列的探索来识别高容量锂存储阴极材料。

填词的特定能力和稳定性可以有效地改善通过掺杂或改变表面形态或通过表面改性。莫汉等人合成了生命_x倪_1−xO₂(0.00≤≤0.20)纳米粒子具有单层结构使用溶胶-凝胶的方法。粒子的大小与替换的铁减少,从而提高负极材料的电化学性能11]。的基团,层阴极提高循环效率和热稳定性高利率的排放,改善材料表面的导电率(12- - - - - -14]。

在这项工作中,我们使用著名的溶胶-凝胶过程合成目标材料_1.25倪_0.2有限公司_0.333菲_0.133锰_0.333O₂通过控制PVA含量(0.0 - -15.0 wt %)。扫描电子显微镜(SEM)、电化学测试和x射线衍射(XRD)被用来研究PVA掺杂比例之间的关系和具体合成阴极材料的能力。预处理可以显著提高性能和速度首次库仑效率,也有助于提高循环稳定性和抑制电压衰减。这些属性将提高产能利用率和速度能力的材料(15]。

2。实验部分

2.1。材料的合成

使用方法之前报道的文献中,MnCO₃微球的准备。首先,1.183 g MnSO₄溶解在超纯水的混合物(电导率的0.05μ供应链管理⁻¹)和酒精”的标签。“然后,5.53 g NH₄HCO₃没有酒精溶解在490毫升的超纯水贴上“B。“当两个A和B是完全溶解,A和B两种解决方案都混合在一起形成一个暂停。悬架是在室温下不断搅拌5 h。然后,悬架被离心分离的白色沉淀;被确认为MnCO沉淀₃。接下来,MnCO₃被酒精和超纯水的混合解决方案。清洗后,MnCO的地方₃在干燥表和干燥60°C 6 h空气气氛。

第二,MnO₂中空微球是由混合MnCO前兆₃和一个水0.033 KMnO₄解决方案。后删除MnCO₃核心0.03 M盐酸,MnO₂中空微球在离心后获得。微球是用超纯水清洗三次。接下来,MnO₂是干空气气氛下使用烘箱。

最后,李_1.25倪_0.2有限公司_0.333菲_0.133锰_0.333O₂准备好使用以下PVA-auxiliary溶胶-凝胶过程。称量一定量的LiOH·H₂O, Fe(没有₃)₃h·9₂O,倪(没有₃)₂h·6₂啊,公司没有₃)₂h·6₂O, MnO₂微球在60毫升的超纯水溶解,和锂/金属(镍、锰、铁)摩尔比是1.25。由于锂是耗尽在高温条件下,有必要添加过量的锂。为了确保足够的反应原料,PVA和柠檬酸添加先后在不同的时间。PVA质量分数的= 0.0,2.5,5.0,7.5,9.0,10.0,11.0,12.5,和15.0 wt %。柠檬酸总金属离子的摩尔比率是1:116]。混合搅拌在80°C到粘性得到凝胶(17]。前体的治疗分为两个步骤,第一次干燥120°C 12 h,然后加热到450°C 6 h在空气中。

最终产品是通过精细研磨所遵循的凝胶热处理在950°C下non-rare气氛12 h。

3所示。结果与讨论

3.1。样品描述

我们第一次调查MnO的结构特点₂中空微球样品和PVA-auxiliary富锂manganese-based阴极样品用扫描电镜。球壳结构和破碎MnO的中空微球₂如数据所示1(一)和1 (b),分别。两人的直径约为1 - 2μm。所有的样品表现出壳结构,逐渐破坏增加分层结构聚合在一起的时候,这大大增加了接触表面的扫描区域。聚合的倾向减少与增加在数据1 (c)- - - - - -1(我)。为x= 10.0 wt %,样本有最小的粒子大小和最均匀分布。众所周知,电化学锂嵌入/提取小颗粒容易得多,因为李的减少扩散途径⁺离子,也可以更快的电子传输通过尺寸效应(19]。

4所示。描述

x射线衍射(Rigaku SmArtlab-3KW)模式收集与铜D8推进仪器Kα辐射在40 KV, 40 mA和扫描步骤2度每分钟在室温下从10°- 80°。XRD结果使用RIETAN-FP程序进行了分析。扫描电镜(JEOL地产- 6390)通常是应用于分析结果的形态学资料。

电化学测量。陆地CR2025电池的电化学测量在室温下进行使用CR2025硬币细胞。活性物质、乙炔黑、聚偏二氟乙烯)溶解在N-methyl-2-pyrrolidone 8:1:1比(NMP),然后是阴极化合物均匀涂在铝箔涂机。首先,涂片在50°C空气干燥6小时,然后在120°C真空干燥12小时。硬币细胞聚集在手套箱(H₂O < 1 ppm, O₂< 1 ppm)使用李金属箔作为计数器LiPF电极和1米₆在一个1:1 v / v碳酸亚乙酯和碳酸二乙酯的混合物作为电解质。组装电池受到一个充放电循环测试在不同的放大,控制和电压范围在2.5到4.5 V。电化学阻抗谱光谱得到的频率范围10⁻¹赫兹到10⁵赫兹使用PARSTAT 2273电化学工作站18]。

图2提出了一种典型的李的粉末x射线衍射模式的例子_1.25倪_0.2有限公司_0.333菲_0.133锰_0.333O₂(x= 10.0 wt %)。使用RIETAN-FP程序获得的模式。粉模式繁殖的典型特征α-NaFeO₂结构和可以被索引的R-3m空间群,曲线所表示的固体。的分裂(006),(012)和(018),(110)反射表明形成高度有序六角分层结构(20.]。我们进一步执行类似的里特维德分析其他化合物,和软件分析结果如表所示1。最后的细化是满意的,和(可靠的因素的基础上,综合强度)足够小。所有的样品的晶格参数略有不同。图3显示(a)晶格参数的规律性一个和c和(b)晶格体积V与PVA质量分数的变化。晶格参数的最小值x= 10.0 wt %,显示这些样品的晶格的稳定。相比之下,= 0.0 wt %,晶格的体积_1.25倪_0.2有限公司_0.333菲_0.133锰_0.333O₂(x= 10.0 wt %)降低了0.94%。

电化学性能的原始和PVA-auxiliary富锂manganese-based阴极样品研究了以不同的速率在2.5和4.5 V使用金属锂作为阳极。不同周期的充电曲线的速度呈现在图0.1摄氏度4(一)。光滑的曲线表明,电极材料有一个稳定的结构测试电压范围内(21]。原始样本,首次放电容量为141.5 mAhg⁻¹50个周期后,122 mAhg褪色⁻¹,容量损失是16%。

为PVA-auxiliary富锂manganese-based样本(x= 10.0 wt %),第一次放电容量为206.0 mAhg⁻¹50个周期后,180.7 mAhg褪色⁻¹,容量损失仅为14%。因此可以得出结论,使用温和PVA-auxiliary溶胶-凝胶过程可以提高样品的具体能力。这个结果是因为表面积PVA含量的影响,并增加表面积为锂离子插入提供有利条件/提取工艺。随着周期的数量增加,所有样品的放电容量下降缓慢,最有可能由于结构变形和/或副反应在充电和放电。

图4 (b)显示了所有的材料的循环性能在不同的利率。经典,在当前率高,具体体积下降,这可能是由于增加电极极化周期期间观察到以前的研究者。

在不同的利率,具体PVA-auxiliary样本的能力(x= 10.0 wt %)总是高于其他样本。特别是在2 C率,而PVA-auxiliary样本(x= 0.0 wt %), PVA-auxiliary样本(x= 10.0 wt %)优越的2.5倍利率的能力。更重要的是,当放大返回0.1摄氏度,可以接近初始值的能力。这表明,阴极材料(x= 10.0 wt %)具有良好的可逆性。结果在图4(一)和4 (b)表明硬币细胞的最优电化学性能是实现PVA-auxiliary样本(x= 10.0 wt %)。

确定样品的速度能力,电池是2.5和4.5 V之间骑在不同电流的0.1 c,结果如图所示5。率PVA-auxiliary样本的能力明显高于原样品。与其他样品相比,PVA-auxiliary样本(x= 10.0 wt %)具有优良的性能,因为PVA-auxiliary方法降低了电荷转移电阻,提高了反应动力学(22]。

研究电极材料的反应动力学,如图6EIS与三电极测试单元的频率范围10⁻¹到10⁵赫兹。在这个地区,一个倾斜的线和半圆形的观察。Z的拦截之间电池和电解阻力的构成在高频区域对应于欧姆电阻( )。

的中频半圆与电荷转移电阻( )在电极和电解质的界面23]。在负极材料的锂离子散射关系反映的斜线华宝的低速度区域阻抗( )。的电荷转移电阻x= 10.0 wt %样本300Ω,小于原始的样本(400Ω)。一个可能的解释这一结果是离子运输PVA-auxiliary样本相对更快。电荷转移电阻减少显然证明了电子电导率和李的重要性⁺扩散骑车时当前率高,速度能力和充电和放电周期密切相关的数据。

5。结论

在这项研究中,一个富锂manganese-based阴极材料,李_1.25倪_0.2有限公司_0.333菲_0.133锰_0.333O₂、使用PVA-auxiliary溶胶-凝胶法合成过程和PVA含量对晶体结构的影响利用XRD和SEM研究了形态学分析。与原始材料相比,PVA-auxiliary材料(x= 10.0 wt %) 0.1摄氏度的50个周期后,容量保持率为27.7%,并在5 C 74.8 mAhg能力⁻¹。PVA-auxiliary样本结果的改进性能的有效减少电荷转移电阻和增强的反应动力学。因为PVA的作用,能力和循环_1.25倪_0.2有限公司_0.333菲_0.133锰_0.333O₂是改善。

数据可用性

使用的参数和数据来支持本研究的结果包括在本文中。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金(国家自然科学基金委,11144007),国家自然科学基金委山东省(ZR2016AM27)。

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