1、 毕业设计（论文）译文题目名称：钴酸锂的多元掺杂改性学院名称： 材料与化工学院班 级： 应用化学 082学 号： 200801534205学生姓名： 王昆中原工学院毕业设计（论文）译文1指导教师：王红芳 李慧 2012 年 02 月LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2锂电池阴极材料高压、高容量特点的研究P.Periasamy1, N.Kalaiselvi1,*, H.S.-Kim21 Electrochemical Power Systems Division, Central Electrochemical Research InstituteCECRI,Karaikudi, India2
2、 Advanced Materials for Applied Research Laboratory, KERI, Changwon, South Korea*E-mail: Received: 14 June 2007 / Accepted: 1 August 2007 / Published: 1 September 2007摘要：通过目前的研究，人们已经可以通过软化学明胶辅助基础(GAC)燃烧方法来合成 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 阴极。实验发现，长达 24 小时焙烧温度为 750C的 GAC 方法对制备有良好的六方排列和更好的循环性能的 LiNi1/3Co1/3Mn1/3
3、O2粉末是必要地。峰强比 I(003)/I(104)大于 1，表明阳离子混排程度不大。观测到的CV 峰确定了镍、钴、锰离子都是以+3 价而存在的。当合成的LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 阴极充电到 4.6 V 时，它显示出的最大放电容量可达 180 mAh/g。因此，该方法证明通过目前研究合成的 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 阴极可以作为一个高电压和高容量的阴极材料用于充电锂电池中。关键词:明胶辅助燃烧(GAC)方法， LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2阴极，比容量，锂电池1 引言目前，锂离子电池除了应用于包括3C程序在内的便携式电子设备的动力来源外，它们还被认为是未来电
4、动汽车领域最有前景的候选者。LiCoO 2和LiNiO 2阴极因其高成本和有毒的性质而被排除，近来的研究特别着重于以Li-Mn-O为基础的系统，将其作为备选阴极材料。与LiMn 2O4相比，三价LiMnO 2具有285 mAh/g的很高的理论容量，是LiMn 2O4理论容量的两倍 1,2，并且报道说相比于Li+/Li 电池，即使在 2.0到 4.5V之间也有更好的循环性能。在正交晶的LiMnO 2中、氧离子排列在近立方紧密堆中，八面体的间隙被Li、Mn所占据形成有瓦楞的层中原工学院毕业设计（论文）译文2状结构 3。由于Mn 3+(t2g2eg1)在O h上高自旋的存在，由Jahn-teller
5、扭曲变形而引起的关于Mn 3+的局部对称性扭曲了。所以，锰的子晶格可以被看作是折叠的三角形，并且折叠角为111 。例如，每个三角都被扭曲成一个是2.806 和其它两个棱是3.09 的等腰三角形 4。尽管LiMnO 2阴极有材料成本低、高能密度、高工作电压和可接受的环境特点等等许多优点，但它要求持续高温加热，并且同样会造成阴极粉末粗化的严重后果，导致锂化合物的挥发 5，这些是阻碍LiMnO 2以其原本结构而被全球接受的主要问题。此外，据报道，随着堆叠层错程度的增加，从正交结构向尖晶石的转变变得更容易更快速 6-9。因此，对岩盐结构的正交LiMnO 2粉末的制备，在加热环境中，应严格监控对氧含量的
6、精确控制。然而通过合适的掺杂方法将金属作为掺杂剂对LiMnO 2部分代替，可使其成为层状结构而被固定。因为，在锂的嵌入与脱出过程中，晶体稳定性可以通过用适当的掺杂剂进行部分代替来加强。此外，部分代替不仅对层状结构的稳定性很有效，而且，在某些情况下，对产生更高的氧化还原电位也很有效 10。朝着这个方向，Cr, Ti, Mg, Ni, Al 和 V被作为掺杂剂引入LiMnO 2中以实现更好的电化学性能 11-12。换句话说，部分取代的Cr 3+和Al 3+离子通过阻止阳离子重新分配来降低 层状结构向更稳定的尖晶石转化的趋势。并且认为，掺杂剂通过部分引入锰离子来削弱John-Teller 的扭曲程度
7、 13。锂可以移动插入氧框架中，报道称钴的引入增加了50%锂的数量，因此提高了记忆能力。并且，据报道，掺杂钴可以有效控制o- LiMnO 2向尖晶石LiMn 2O4转化的转化率 14。因此，有了这样的背景，有人已经研究了在LiMnO 2中同时掺杂钴和镍离子，目的是了解这两种掺杂离子对LiNi 1/3Co1/3Mn1/3O2电化学性能的协同影响。在这方面，一种简单的明胶辅助基础(GAC)燃烧方法 15已被应用于探测同时用等量的钴和镍进行掺杂正交的LiMnO 2来合成单一的LiNi 1/3Co1/3Mn1/3O2的可能性。在合成电池活性物质Li-M-O型阴极材料中GAC方法的优点和重要性已经在别处
8、提到过 15。总之，目前研究通过利用钴和镍部分代替LiMnO 2合成LiNi 1/3Co1/3Mn1/3O2的优势来增强电化学性能。并且，研究证明在纯净的和电化学的有效形式中通过一锅法GAC方法能够合成LiNi 1/3Co1/3Mn1/3O2阴极，这是让全球人接受的首要事项。2 实验部分将一定量的锂、钴、镍和锰的硝酸盐(1:1:1wt %)溶解在双氧水中得到透明溶液。在溶液中加入搅拌好的明胶溶液，得到的混合溶液在90 - 100C均匀加热中原工学院毕业设计（论文）译文31 h得到一种粘稠液体。由此得到的粘性溶液在120C下干燥12 h并进一步在不同温度下如300C,600C和750C煅烧。在不
9、同温度下进行加热处理，主要是为了了解焙烧温度对合成单相化合物的影响并确定通过GAC方法合成性能更好的LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2化合物的最佳温度。基于优化研究的结果， 发现焙烧温度不低于750C对合成纯LiNi 1/3Co1/3Mn1/3O2阴极非常重要。因此，进一步试验750C热处理下，不同加热时间例如3小时、6小时、12小时、24小时对合成LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2的物理和电化学性能的影响。收集煅烧最后获得的超细粉粒并用于接下来的性能测试。用飞利浦X射线衍射仪验证产品的相纯度。在室温， 2范围为10-90，扫描速度为0.02 s-1的条件下，应用nickel-filt
10、ered Cu-K 射线记录XRD谱图。颗粒的表面形貌用扫描电镜分析的图像来检验，这些图像用Jeol S-3000 H扫描电镜获得。用2016型密封电池来进行循环伏安法、交流阻抗研究和充电放电的研究。金属锂作为阳极，以乙烯碳酸酯(EC):碳酸二甲酯(DMC)体积比为 1:1 的1M LiPF6为 电解液。阴极是将 85%的活性物质、5% super-P碳和在N-methyl-2-pyrrolidone(NMP)中的10% 聚偏氟乙烯(PVDF) 粘合剂制备的，将它覆盖在铝箔上在烘箱中120 C下干燥3 h。将得到的覆盖在铝箔上的压片，用穿孔机在合适的地方穿孔。在真空手套箱中组装成2016型电池
11、，并在不同的截止电压下用多通道电池循环测试仪（Toyo multi channel battery cycle life tester）进行电化学循环测试。电化学阻抗测量和CV研究用TOSCAT分光光度计进行。3 结果和讨论3.1 物理特性研究3.1.1 XRD 研究用X射线衍射分析来检测在不同煅烧温度下合成的 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2的结构的变化以及高纯度和结晶度的变化与获得。基本上，从高煅烧温度例如600C 和750C 得到的LiNi 1/3Co1/3Mn1/3O2粉末都是黑色的，并且暴露在空气中和潮湿的环境中也是稳定的。中原工学院毕业设计（论文）译文4图1 观察LiNi 1
12、/3Co1/3Mn1/3O2阴极的PXRD谱图a) 300C (3h.);b) 600C (3h.); c) 750C (3h.); d) 750C (12h.) and 750C (24h.)高温处理过的LiNi 1/3Co1/3Mn1/3O2粉末的XRD图谱呈现出与有R3m 空间结构的-NaFeO 2结构高度一致的峰。在布拉格图谱上，没有出现不良杂质峰。所以，认为过渡金属原子即镍、锰、钴随机分布上3b位置，锂在3a位置，氧原子在6c位置。从图1可以看出，在300C下加热，得到了一个完全非晶质结构的前驱粉末(图1a)。另一方面，经过 600C 加热处理的样品的XRD谱图显示有布拉格特征峰出现
13、，表明在这个温度时的LiNi 1/3Co1/3Mn1/3O2化合物的结构。进一步，据了解，虽然化合物的合成发生在600C，但结晶的过程似乎是不完整的，正如从记录的样品的整套峰中所观测到的最小强度的峰在600C出现一样。因此，后期煅烧温度为750C是至关重要的 16，因此在750C 下对样品进行不同时间 (3小时、12小时、24小时) 加热是为了了解在750C下延长加热时间是否会揭露一些LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2样品的良好的物理性能和电化学性能特点。这种粉末的布拉格图在图1的c-e 中呈现。很有意义的一点是，强度比(003)和(104) 峰比1大即I (003)/I(104) 1，也
14、有明显的双峰像(006) 、(102) 和(108)、(110)，这和阳离子没有混合的层状结构相吻合。一般来说，(006) 和(102) 双峰紧跟在 (101)独立单峰的后面，这种多多少少相似的峰型被认为是层状LiNiO 2相关化合物 17的均匀性和相纯度，并且这种布拉格图是LiNi 1/3Co1/3Mn1/3O2在750C合成3小时所产生的。剩下的化合物在相对较低的温度即300和600C( 图1a和b)下合成，表现出两个或三个明显的、不对称的峰型和较低的能见度。结果，从XRD导出，750C 下至少加热三个小时是合成均匀、纯净的LiNi 1/3Co1/3Mn1/3O2的必要条件。另一方面，在7
15、50C下加热更长时间像12小时、24小时的化合物清楚展示了双峰如(108)、(110)和(106)、(112) 紧随着高度激烈的单重峰(图1d和e) 。依据这一观察，我们导出在750C煅烧24小时是获得纯相和结晶性能更好的LiNi 1/3Co1/3Mn1/3O2的必要条件。中原工学院毕业设计（论文）译文5晶格参数值即a = 2.82 和 c = 14.10分别和报道值符合 18。同时，计算c/a(表1)强烈排除了阳离子混合，并且也大于4.91。LiNi 1/3Co1/3Mn1/3O2样品的晶格参数的变化，如a,c,c/a,I (003)/I(104)和 体积单元、还有R因数的变化随加热时间的变
16、化都总结在表1中。表1 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2化合物不同的晶格参数随锻烧温度的变化煅烧温度 a/ c/ c/a I (003)/ I(104) R因数I 006+I102 /I101 体积单元600C 2.879 14.231 4.943 0.750 - 102.031750C 2.870 14.148 4.946 1.085 0.75 100.803750C 2.854 14.153 4.959 1.342 0.71 100.658750C 2.877 14.059 4.967 1.347 0.60 99.879Reimers 等 19报道说R 因数被定义为 ：特征六边双峰
17、，即(006)、(102) 之和与(101)的强度比 I(006)+I(102)/I(101 ) ，它是六边排列的指示。从表1中可以很明显地看出， LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2样品在750C 下加热， R-因数随加热时间增长而线性降低。较低的值为0.60，是在750C 加热24小时的条件下得到的，这指征了良好的六边排列和更好的循环性能。因此，从R值得出的结论是在750C下加热24小时时制备具有好的物理和电化学性能的LiNi 1/3Co1/3Mn1/3O2粉末的必要条件。进一步的，所有计算出来的晶格参数值和体积单元都和报道值很接近 20。3.1.2 SEM 研究LiNi1/3Co1/3
18、Mn1/3O2样品在750C下加热所捕获的扫描电镜照片放大10 K被显示在图2中。从扫描电镜照片中能清楚的看到单声道的分散球形颗粒的形成以及明显的晶体界限。在高温煅烧中通常都有的集聚过程没有被发现，因为目前研究根据合成LiNi 1/3Co1/3Mn1/3O2的方法，可将其颗粒大小降低在1m以下。这是因为，颗粒积聚的可能性已经在前驱体加热（在120C、300C 、600C）的早期通过缓慢加热均匀溶解粉末而被控制了。并且在300C后得到的颗粒受到磨削过程得到进一步的择优取向和均匀分布的尺寸逐渐减小的颗粒。我们最终的晶粒生长控制颗粒均匀分布模式是为了保持一致，即使在高焙烧温度750C下（图2）也是这
19、样，根据采用的特殊加热处理，这是有趣的现象，也是有益的影响。同时，使用明胶易燃燃料是为了揭露一些首选的形态的特点，从而导致或促进 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2的最终形成，使颗粒外观含有一定的晶界。因此，据悉，夹杂选择类别的易燃燃料作为添加剂在正常燃烧合成方法以及间歇过程的磨削和慢速度加热中不仅对目标化合物，也能在各式各样的合成化合物、部分的类型和性质相同的东西可以有更好的物理特性方面的影响。中原工学院毕业设计（论文）译文6图 2 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 阴极在 750C 合成(24 小时 ) 捕获的扫描电镜照片3.2 电化学性能研究3.2.1 循环伏安图3 750C
20、24小时条件下合成的LiNi 1/3Co1/3Mn1/3O2电极的循环伏安曲线，分别在200V/sec. 和100V/sec.的扫速下，以锂金属为阳极，以EC:DEC(1:1)的1M LiPF 6为电解液图3(a)和(b)显示的是LiNi 1/3Co1/3Mn1/3O2电极的循环伏安曲线，这种电极是将750C 24小时条件下的粉末装成2016型电池，分别在200V/sec.和100V/sec.的扫速下，以锂金属为阳极，以EC:DEC(1:1)的1M LiPF6为电解液进行记录。换句话说，用循环伏安来研究LiNi 1/3Co1/3Mn1/3O2阴极的电化学性能时，扫描电压为从3.0到4.2V和4
21、.8V（相对于Li/Li +） ，其中，参比电极和对电极（阳极）都是中原工学院毕业设计（论文）译文7Li金属。图2a 显示存在对应的插在一个广泛的潜在范围在4.0V的锂离子阳极峰。同样，从图3a 中明显地看出相对等量的锂被提取隐含在3.4V的阴极峰中。此外，CV研究表明，第一个CV循环不同于第二个电压范围为3.04.2V 的循环，其中第二个通常发生氧化还原反应。这就导致在第一个循环中可能出现不可逆转的容量损失 21和循环伏安曲线中较大的脱嵌电流，这与第一个循环的容量数值相一致 22。由扫描在100V/sec.下LiNi 1/3Co1/3Mn1/3O2电极系统的循环伏安曲线（图3b）表明在4.1
22、V与4.0V之间有一个宽的氧化峰电位，这与C O3+和C O4+的氧化还原现象相一致 23。同样，在4.6V和3.6V观察的氧化还原峰是氧化态NI 3+和 Ni4+的，在3.2V观察的氧化还原峰是氧化态 Mn3+和Mn 4 +的。这些结果与Lu等人24的结果相一致，从而说明了在3.04.8V 的潜在电压下以Li/Li +为对照在锂离子的嵌入与脱嵌中合成LiNi 1/3Co1/3Mn1/3O2材料的可逆性。3.2.2 阻抗研究一般来说，电化学阻抗的研究是为了更好的理解锂电池的某些方面，如失败的机制 25，自放电 26，锂电池的循环效率 27和电极与电解质之间的界面现象28和锂离子在电极和电解液的
23、扩散 29。其中，我们通常给予阴极电极较少的关注，因为在可充电锂电池的商业化过程中，我们更关注涉及到锂阳极的问题。但是，随着锂和锂离子电池技术的进展，涉及到阴极的问题是报道中影响锂电池性能的主要因素之一，它通过不可接受的容量衰减和在放电过程中电压的大幅下降来影响。所以，我们进行了在组装和完全充电状态下LiNi 1/3Co1/3Mn1/3O2阴极在2016型电池中以锂金属为对电极的电化学阻抗测试。图4 在不同充电状态下的Li/ LiNi 1/3Co1/3Mn1/3O2电池的Nyquist图 a) 5% ; b)25%; c) 50% ; d)75%和e)100% SOC中原工学院毕业设计（论文）
24、译文8图4a和4b，分别显示了作为聚集、SOC Li/ LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2电池的Nyquist图。图 4a中显示了刚组装的Li/ LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2系统和锂第一次脱嵌和嵌入循环的Nyquist图的对比。高频地区的新鲜电极频谱的半圈要比在循环电极频谱中高得多 30，表明有初始不可逆转的容量损失，这和充放电循环过程中的现象一样，这种现象不可避免。图4b显示了Nyquist图中Li/LiNi 1/3Co1/3Mn1/3O2电池在不同的充电状态下的(SOC)值如 0%、25%、50%、75%和100% 的阻抗图谱 。一个半圈高频区和低频区域的尖峰分别被录得的阻抗
25、图谱表征。一般来说，一个半圈的存在，是因为存在氧化物表面的钝化膜 31。同样，低频尖峰，这是一个弧不完整的半圈，是由于电化学反应的电荷转移电阻。从图4b中可以看出，电荷转移电阻的增加随充电电压的升高呈线性下降，这表明LiNi 1/3Co1/3Mn1/3O2阴极在更高的荷电状态变得更加导电。换句话说，LiNi 1/3Co1/3Mn1/3O2材料在高带电状态SOC - 100%下有最低的Rct值(85欧姆)，是支持了这样一个事实，即在高充电电压条件下， LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2材料就变成了良导体。这也可以归结到系统高排水能力 32，所需的高功率锂电池的应用。因此，推断出就LiNi 1
26、/3Co1/3Mn1/3O2阴极而言，4.6 V的高充电电压为优先实现最大限度的特定能力是有益的。3.2.3 充放电研究中原工学院毕业设计（论文）译文9图5 LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2电池在第1和第20个循环下的电化学性能，其中，阴极是在 750C不同加热时间下制备的 a - Qd1 750C (3h.) ; a* - Qd20 750C (3h.); b - Qd1 750C (12h.) ; b* - Qd20750C (12h.); c - Qd1 750C (24h.) ; c* - Qd20 750C (24h.)图5a-c 显示放电比容量的变化(Q dc)就不同的截止电
27、压是化合物LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2表面加热时间如3、12、24小时的函数。在750C 12小时条件下制备的样品的第20个周期的充放电容量(Q dc 20)值被测定为112.79,136.14和154.14 mAh/g，它们分别是在不可逆容量为2.59、4.28、6.64 mAh/g（是变化的截止电压4.2、4.4和4.6 V的函数）的条件下测定的。这样的观察，主要归因于缺乏六边排列，包括锂离子和过渡金属离子的排列的缺乏和较低的结晶度 31。一般来说，由于形成不良氧化物，需要高温和更长的加热时间来形成一个良好有序的LiNi 1/3Co1/3Mn1/3O2相。因此，我们可以理解在75
28、0C下加热 3个小时和12个小时的样品表现出最高的比容量值(150180mAh/g)，加热时间为3个小时和12个小时的样品有比加热时间更长的样品更合理的比容量（分别为130145mAh/g 和 140150mAh/g） 。从图 5b中可以看出，在750C 24小时条件下制备的样品，在不同的截止电压如4.2、4.4和4.6 V的影响下，即使在第20个循环也分别表现出128.95，147.15 和159.48 mAh/g的放电容量(Q dc20)和好的记忆能力。这些结果是与报导出的120mAh/g 和145mAh/g (4.2V)放电容量值相吻合的，这些是一个类似的化合物通过增加工作截止电压到4.
29、4 V所展现出来的。因此，从充放电也可得出结论，研究后认为， 24小时750C 的高煅烧温度对制备4.6V的高截止电压下180mAh/g的最大比容量的LiNi 1/3Co1/3Mn1/3O2阴极是必要的。中原工学院毕业设计（论文）译文104 结论在高截止电压（4.6V）条件下，具有较好的结晶度和优良电化学特性的纯相LiNi 1/3Co1/3Mn1/3O2粉末，已通过一种简单的易于操作的GAC方法合成了。基于XRD 和充放电的研究成果，可以得知，像焙烧温度(750C) 和加热时间(24小时)等的最佳反应条件已经达到。阻抗分析有利于对LiNi 1/3Co1/3Mn1/3O2阴极充电到4.6V，以促
30、进在高电压区域的容量提升过程，因为该化合物在 100SOC 条件下可成为良导体。更有意义的一点是，LiNi 1/3Co1/3Mn1/3O2阴极经过20次循环后，放电比容量分别为129mAh/g (4.2V), 147mAh/g (4.4V)和160mAh/g (4.6V)，这使它在锂电池中可作为一个高压、高容量阴极来使用。参考文献1 P.G.Bruce,Chem. Commun., (1997) 18172 M.M.Thackeray, Prog. Solid State Chem. 25 (1997) 13 T.Ohzuku, A.Ueda, T.Harai, Chem.Express, 7
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