SOC状态对LiNi0.5Mn1.5O4材料电化学性能的影响

赵玉超1,吴汉杰1,黄美红1,梁兴华*1,毛杰2

(1.广西汽车零部件与整车技术重点实验室(广西科技大学),广西柳州545006;2.广东省新材料研究所,广东广州510006)

摘要:采用溶胶-凝胶自蔓延燃烧合成法,制备5 V级高电位的镍锰酸锂正极材料.利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)进行表征测试,电化学工作站测试材料的电化学性能,研究尖晶石LiNi0.5Mn1.5O4材料在不同SOC状态下对电极交流阻抗谱特征的影响.结果表明,LiNi0.5Mn1.5O4材料是尖晶石结构,样品微观形态为八面体的结构,粒径分布均匀.CV测试表明:LiNi0.5Mn1.5O4材料放电平台在4.6 V和3.9 V,在SOC为60%~80%时,电池的组合电阻呈现相对比较低的状态,得到放电过程电化学特征与SOC的关系.

关键词:SOC;LiNi0.5Mn1.5O4;电化学性能;交流阻抗;尖晶石

0 引言

镍锰酸锂材料比能量能达到146.7 mAh/g,未经任何优化的尖晶石型镍锰酸锂(LiNi0.5Mn1.5O4)在2 C倍率下循环2 000次后还有90%的容量保持率[1].安全性能好,无公害,无记忆效应[2],可以实现快速充电,1 C充电30 min容量可以达到标称容量的80%以上,工作温度宽泛,在-25℃~45℃都可以正常使用[3].4.6 V单体电压在组装电池组时,只需较少的单体电池串联就能达到同样大小的输出电压,提高了电池组功率密度[4].由于以上众多的优点,镍锰酸锂电池得到商业化应用,多年来科研人员对LiNi0.5Mn1.5O4合成方法、循环寿命、容量以及倍率性能都作许多的研究,但是对其阻抗特性的深入研究甚少.而在不同SOC状态下阻抗特性发生的变化,充放电容量、电势等,有内在联系[5],深入研究SOC状态下阻抗特性对提高LiNi0.5Mn1.5O4材料电化学性能有重要意义.本文采用溶胶-凝胶自蔓延燃烧合成法,制备5 V级高电位的镍锰酸锂正极材料,研究在不同SOC状态下对材料电化学性能的影响.

1 实验部分

1.1 主要仪器及试剂

实验所用仪器及试剂:磁力搅拌器(90-1)、真空干燥箱(ZZK)、马弗炉、双温控区管式炉、涂覆机(ZKTBJ-10)、冲压隔膜机(ZKCG)、真空手套箱(ZKX-2)、X射线衍射仪(Bruker D8 Advance,Cuka radiation)、扫描电子显微镜(SEM、ΣIGMA)、电池测试仪(BTS-3008W)、电化学工作站(CHI600E)、Mn(CH3COO)2·4H2O(分析纯)、Ni(CH3COO)2·4H2O(分析纯)、LiOH·H2O(分析纯)、柠檬酸(分析纯)、氨水(分析纯)、导电炭黑(分析纯),聚偏氟乙烯(PVDF,分析纯)、N-甲基吡咯烷酮中(NMP,分析纯)、聚丙烯微孔膜(Cellgard2400).

1.2 材料制备

按照3∶1的计量比,称取1.5 mol的醋酸锰、0.5 mol的醋酸镍融入定量的去离子水中,用磁力搅拌器搅拌30 min,得到混合溶液A.将1.4 mol的LiOH·H2O(分析纯)融入定量的去离子水中,加入柠檬酸溶液(柠檬酸的物质的量是金属离子总浓度的1倍)作为络合剂,然后进行混合搅拌20 min,得到混合溶液B.最后将B溶液倒入A溶液中.在80℃水浴下进行加热搅拌3 h后,用氨水将pH值调试至7,继续加热搅拌直至成湿凝胶,然后将湿凝胶放入真空干燥箱加热到120℃进行烘干,得到干凝胶,然后放入马弗炉中加热到450℃焙烧1 h进行有机分解,然后进行研磨,得到LiNi0.5Mn1.5O4前驱体.放入双温控区管式炉,以5℃/min的升温速率,550℃保温6 h,再升温至850℃保温18 h,随炉温降到室温后研磨,最终获得正极材料Li-Ni0.5Mn1.5O4.

1.3 半电池组装

活性材料,导电炭黑,聚偏氟乙烯按照质量比8∶1∶1充分混合均匀,倒入适量的N-甲基吡咯烷酮中,进行搅拌直至充分均匀成浆糊状,利用小型涂覆机涂覆在铝箔上厚度为20μm的厚度,然后放入真空干燥箱加热到80℃进行烘干,用冲压隔膜机做成直径14 mm的圆片,在充满氩气的真空手套箱进行电池组装,以锂片为负极,制的材料为正极,以聚丙烯微孔膜作为隔膜,锂离子电池LiPF6电解液EC/DMC/EMC(体积比为1∶1∶1),加入垫片组装成半电池.图1为电池组装示意图.

图1 电池组装示意图
Fig.1 Schematic diagram of battery assmembly

2 结果与讨论

2.1 材料物相与微观形貌

图2中,1.4 mol质量比合成的LiNi0.5Mn1.5O4的XRD图中的衍射峰峰强比、峰形、峰位与LiNi0.5Mn1.5O4标准PDF卡片(#80-2162)进行对比,主峰峰型位置吻合,表明所合成的材料是尖晶石立方结构,属于Fd-3m的空间群结构.此外,材料在(311)、(400)和(440)晶面指数处的衍射峰底部出现宽而弥散的现象,有一个小峰(标有“*”)对应于一个杂质LixNi1-xO,这些杂质峰是由于在高温煅烧过程中氧损失而造成的这与文献[6]报道的结果相符.

图3是LiNi0.5Mn1.5O4的SEM图,用场发射扫描电子显微镜分别在不同的扫描倍数下拍取材料颗粒的SEM图像.从图中可以清晰看出图中样品晶体结构形貌呈现规则的菱形几何形貌,光滑平整的表面,棱角分明轮廓清晰,细小的碎颗粒夹杂在颗粒之间,并且在小局部范围内颗粒间出现粘连情况,有团聚现象.

图2 镍锰酸锂的XRD图
Fig.2 XRD patterns of LiNi0.5Mn1.5O4sample

图3 镍锰酸锂的SEM图
Fig.3 SEM images of LiNi0.5Mn1.5O4sample

图4 中对样品进行定点定量成分分析可以看出,样品含有镍锰氧,不同样品的组分比例不同,但镍与锰的摩尔比基本是1∶3,与上图XRD图谱相结合,表明合成的材料为LixNi0.5Mn1.5O4(x=1.4).

图4 镍锰酸锂的EDS图
Fig.4 EDS images of LiNi0.5Mn1.5O4sample

图5 LiNi0.5Mn1.5O4样品CV图
Fig.5 CV curves of LiNi0.5Mn1.5O4sample

2.2 电化学性能

图5是LiNi0.5Mn1.5O4样品的CV图,利用电化学工作站扫描速率为0.1 mV·s-1,扫描范围内3.5 V~5.2 V.经过充放电的过程进行充分激活,从图5中可以充分看到占主导地位氧化还原峰位于4.6 V是由于Ni4+离子的电化学还原成Ni3+离子和Ni2+离子序列而产生,与文献[7]相符.此外,另一个轻微氧化还原峰在3.9V,这源于Mn4+/Mn3+氧化还原反应,由于高温煅烧造成氧缺陷,使得形成无序尖晶石LNMO中有少量Mn3+的存在,所以在3.9 V有一个很小的放电平台[8].

图6 LiNi0.5Mn1.5O4样品在不同SOC状态下的奈奎斯特图
Fig.6 Nyquist plots for LiNi0.5Mn1.5O4sample in different condition of SOC

图7 等效电路图
Fig.7 Equivalent circuit

表1 在图6中EIS图的拟合数据
Tab.1 Fitting results of EIS plots in Fig.6Ω

由LiNi0.5Mn1.5O4样品的奈奎斯特如图6所示.在阻抗数据的基础上进行分析可得出等效电路如图7所示,拟合结果如表1所示.可以从图6中看出经过活化后的阻抗图由在高频区的一个半圆和低频区的一条斜线构成,在高频区与实轴Z的截距对应的是电池的组合电阻,其中高频区的压缩半圆代表是电解液电阻(Rs[9],在高频区的半圆对应的是SEI膜电阻(Rf[10],在高频区的半圆对应的是电极的电荷迁移电阻Rct[11-12],而在低频区倾斜线对应的是电极的锂离子扩散电阻W[13].CEPs和CEPdl是恒相位角原件[14].从表中数据可以明显看出来在半电池20%~100%的SOC状态下Rs电阻值逐渐降低,说明在满电状态下电解液电阻最小,Rct在满电状态最低表明此时电池具有了良好的氧化还原电化学反应环境以及动力性能,在60%~80%的SOC之间Rf和Rct数值有突变的发生,在此时是电池整体电阻最小点,超过了这个状态Rf和Rct数值就会有相应的变化.在低频区的直线代表Li在固相活性物质中扩散的Warburg阻抗(W)[15].在20%、80%、100%的SOC状态下,此时直线斜率比较大说明点击界面处的电解液离子扩散越快,受到的扩散控制相对比较小,呈现出电容物性[16].每个参数误差控制在10%以内是符合基本要求,后期通过修正后的Voigt-FMG模型,利用Rs(CiRi)(RfCf)WC等效电路图拟合出来误差数多大于10%.

3 结论

应用溶胶-凝胶自蔓延燃烧合成法,成功制备出5 V级高电位的镍锰酸锂正极材料.通过X射线衍射仪表明合成的材料是LiNi0.5Mn1.5O4,在SEM图中看出颗粒粒径大概在1 μm~2 μm左右,分布均匀,通过CV测试可以得出,通过此方法合成的LiNi0.5Mn1.5O4材料具备可逆性良好,结构稳定的电化学特性.通过EIS的测试,LiNi0.5Mn1.5O4材料在SOC为60%~80%时,电池的组合电阻呈现相对比较低的状态.

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Effect of SOC state on the electrochemical properties of LiNi0.5Mn1.5O4material

ZHAO Yu-chao1,WU Han-jie1,HUANG Mei-hong1,LIANG Xing-hua*1,MAO Jie2
(1.Guangxi Key Laboratory of Auto Parts and Vehicle Technology(Guangxi University of Science and technology)Liuzhou 545006,China;2.Guangdong Institute of New Materials,Guangzhou 510000,China)

Abstract:This paper introduced LiNi0.5Mn1.5O4as the cathode active materials for high-voltage.The LiNi0.5Mn1.5O4cathode material has been successfully prepared employing sol-gel self-combustion method.X-ray diffraction, scanning electron microscopy(SEM),energy spectrum(EDS)were used to characterize the test.Cyclic voltammetry (CV)measurement is applied to test on the electrochemical performance of the material.We researched on the electrode impedance spectrum of LiNi0.5Mn1.5O4spinel under different SOC state.The results show that LiNi0.5Mn1.5O4is spinel structure with good node crystal degree and the octahedral structure of the microstructure sample,uniform particle size distribution.CV test shows that LiNi0.5Mn1.5O4discharge platform is in 4.6 V and 3.9 V.In 60%~80% of the SOC,the battery combination resistance is relatively low,and can get the relation of discharge process of electrochemical characteristics and SOC.

Key words:SOC;LiNi0.5Mn1.5O4;electrochemical properties;AC impedance;spinel

中图分类号:TM911

文献标志码::A

文章编号:2095-7335(2017)01-0103-05

DOI:10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2017.01.018

(学科编辑:张玉凤)

收稿日期:2016-06-29

基金项目:广西汽车零部件与整车技术重点实验室自主研究课题(15-A-03-01);广西科技大学研究生教育创新计划项目(GKYC201617);广西汽车零部件与整车技术重点实验室开放课题(2015KFZD02)资助.

*通信作者:梁兴华,博士,副教授,研究方向:汽车新能源及材料研究,E-mail:lxh304@aliyun.com.