耿海龍,吳 軍,胡 博,王振偉,徐艷輝,
(1.山東齊星新材料科技有限公司,山東鄒平256200;2.蘇州大學(xué)物理與光電、能源學(xué)部,江蘇蘇州215006;3.湖州創(chuàng)亞動力電池材料有限公司,浙江湖州313000)
橄欖石結(jié)構(gòu)正極材料Li1+xFe0.4Mn0.6PO4Fx電化學(xué)性能
耿海龍1,吳 軍2,胡 博3,王振偉1,徐艷輝1,2
(1.山東齊星新材料科技有限公司,山東鄒平256200;2.蘇州大學(xué)物理與光電、能源學(xué)部,江蘇蘇州215006;3.湖州創(chuàng)亞動力電池材料有限公司,浙江湖州313000)
采用高溫固相反應(yīng)方法一步合成了,考察了燒結(jié)時間、F含量對產(chǎn)物電化學(xué)性能的影響。初步試驗表明,SEM證實樣品的顆粒度較大,XRD分析表明無雜質(zhì)相,相同的加熱時間下,=0.01時的微取代量有利于材料的電化學(xué)性能。充放電曲線呈現(xiàn)非對稱現(xiàn)象,說明顆粒內(nèi)部存在過渡金屬之間的化學(xué)反應(yīng)。此外還發(fā)現(xiàn),F(xiàn)取代雖然能夠提高電化學(xué)活性,但是對于循環(huán)性能有一定的害處。
脫嵌鋰;鋰離子電池;橄欖石結(jié)構(gòu);非對稱現(xiàn)象
橄欖石結(jié)構(gòu)磷酸鹽脫嵌鋰材料一直吸引著產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的注意[1-5],但是該系列材料的產(chǎn)業(yè)化一直沒有實現(xiàn),主要原因在于:(1)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化的工藝路線還不夠完善。雖然有工廠宣稱可以大規(guī)模生產(chǎn)磷酸鐵鋰和磷酸錳鋰,但是從市場看,二者受歡迎的程度仍然有限,原因在于產(chǎn)業(yè)化的工藝不夠成熟,雖然有文獻報道了高活性的磷酸錳鋰材料,但是仍然僅限于實驗室規(guī)模的水平。(2)本質(zhì)上,還是對該系列材料的機理研究不夠,機理的研究則需要時間來慢慢沉淀。鋰離子電池那些產(chǎn)業(yè)化的正極材料,從對其開始研究到最后的產(chǎn)業(yè)化都經(jīng)歷了相當長的時間,以弄清內(nèi)在的機理。
磷酸錳鋰具有比磷酸鐵鋰電壓高至少0.6 V的優(yōu)勢,這有利于成品電池的能量密度改進。不過,其電化學(xué)活性偏低,就目前的研究來看,單獨作為正極材料的可能性很低,需要摻入一定量的Fe來改進其電化學(xué)活性。關(guān)于的研究比較多,從文獻來看,大部分研究者均是從大型電池正極材料的角度來考慮的。實際上,該材料具有的雙電壓平臺的特點,賦予了其荷電態(tài)判斷簡單的優(yōu)點,這種優(yōu)點特別利于其在微能源系統(tǒng)中使用。在微能源系統(tǒng)中使用時,安全性、荷電態(tài)的易判斷性和能量密度是三個最主要的因素,而對功率放電能力的要求不高[6]。當電壓發(fā)生跳躍后,即明確顯示電量的不足,同時,剩余的Fe2+/3+電壓平臺的容量還可以保證儀器運行一段時間,這部分容量可以作為備用容量使用。
1.1 樣品制備
鋰源為醋酸鋰,鐵源為草酸鐵,錳源為醋酸錳,磷酸二氫銨為磷源,摻雜的F是以LiF形式添加的,所有的試劑均是分析純。按照化學(xué)計量比和 0.04)稱取上述化學(xué)試劑,球磨機中球磨混料,然后在300℃加熱3 h,最后在700℃加熱10、15或者20 h,自然冷卻后即得到最終產(chǎn)物。
1.2 形貌表征
采用Rigaku IV型X射線衍射儀分析樣品結(jié)晶結(jié)構(gòu),施加電壓為40 kV,電流為40 mA,掃描速度為6(°)/min,步寬為0.02°;采用日本日立的S-4700型掃描電子顯微鏡測試樣品的形貌。
1.3 電化學(xué)
將活性物質(zhì)、Super P導(dǎo)電劑、PVDF粘結(jié)劑按照質(zhì)量比為8∶1∶1比例混合,加入N-甲基吡咯烷酮調(diào)漿,涂在鋁箔上,在真空干燥箱中110度下干燥后,用壓片機壓實,切成14 mm圓片,即為正極極片,活性物質(zhì)載量在5~7 mg/cm2。
以金屬鋰片為對電極,電解液為湖州創(chuàng)亞產(chǎn)的電解液,組成為1 mol/L LiPF6/EC+DEC+DMC(1∶1∶1),隔膜為Celgard隔膜,在充滿氬氣的手套箱中組裝成2016扣式電池,在藍電CT2001A充放電測試儀上以0.2C倍率進行充放電測試。
2.1 結(jié)構(gòu)與形貌
圖1是合成的樣品典型的掃描電鏡圖??梢钥闯?,顆粒表面比較光滑,顆粒尺寸大約在500 nm左右。圖2是樣品的XRD圖譜,采用標準的LiMnPO4圖譜對照,可以看出合成的樣品是標準的橄欖石結(jié)構(gòu),無其它雜質(zhì)峰,晶胞參數(shù)為= 0.606 9 nm,b=1.042 1 nm,c=0.472 5 nm,V=0.298 8 nm3。磷酸錳鋰標準晶胞體積為0.303 1 nm3,磷酸鐵鋰的為0.293 0 nm3。Fe取代部分Mn導(dǎo)致衍射峰向高角度偏移,這與Fe離子半徑比Mn的小有關(guān)。
圖1 典型的SEM圖
圖2 Li1+Fe0.4Mn0.6PO4F(=0.01,0.02,0.03和0.04)樣品的XRD圖
2.2 電化學(xué)
圖3是典型的充放電曲線。在4.1 V附近的電壓平臺與Mn2+/3+電對相關(guān),在3.45 V的電壓平臺與Fe2+/3+電對相關(guān)。一個比較明顯的現(xiàn)象是:放電時在3.4 V平臺的容量要大于充電時位于3.5 V平臺的容量,這種充放電曲線之間的不對稱現(xiàn)象是由材料內(nèi)部Mn3+離子不斷地把Fe2+離子氧化成Fe3+的結(jié)果[4]。這種不同價態(tài)之間的過渡金屬之間的化學(xué)反應(yīng),在放電倍率比較大、充電后立即放電的條件下不會顯示出來,但是在充電后放置一段時間或者放電倍率比較小的情況下就會出現(xiàn)。多元過渡金屬橄欖石結(jié)構(gòu)磷酸鹽中不同過渡金屬之間的化學(xué)反應(yīng)是如何影響材料的電化學(xué)性能的,是否會影響到材料的實際應(yīng)用,這還需要深入探討,但是有一點是肯定的,就是會降低能量轉(zhuǎn)換效率。
圖3 典型的充放電曲線
圖4 是Li1.01Fe0.4Mn0.6PO4F0.01的循環(huán)性能曲線,合成溫度為700℃,合成時間為15 h。首先可以看出來,隨著F含量增大,放電容量降低,但是和未摻雜的相比,x=0.01的F取代量還是有助于放電容量的改進的,比容量達到了95 mAh/g以上。其次可以看出,該系列材料的放電容量受環(huán)境溫度影響很大。曲線中的容量波動是由于測試環(huán)境溫度的變化引起的。
圖4 700℃加熱15 h合成的Li1+xFe0.4Mn0.6PO4Fx循環(huán)性能
圖5是取代量為x=0.01(A圖)和x=0.02(B圖),合成溫度為700℃,加熱時間分別為10、15和20 h條件下合成的樣品的循環(huán)性能。當取代量為x=0.01,合成溫度為10、15和20 h時,初期放電比容量分別在100、95和110 mAh/g左右;當取代量為x=0.02,合成溫度為10、15和20 h時,初期放電比容量分別在110、80和100 mAh/g左右。這種隨著合成條件變化出現(xiàn)最大容量時的取代量發(fā)生改變的現(xiàn)象可能暗示著F取代量與合成時間之間的非線性關(guān)系。其次還可以發(fā)現(xiàn)F摻雜量增大會導(dǎo)致循環(huán)穩(wěn)定性降低的趨勢。
圖5 取代量為x=0.01(A圖)和x=0.02(B圖)樣品的循環(huán)曲線
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Electrochemical properties of olivine-type Li1+Fe0.4Mn0.6PO4Fcathode material
was synthesized via high-temperature solid-state reaction method.The influence of the sintering time,F-content on the electrochemistry was investigated.The primarily experiment shows that the particle size is about 0.5 (m from SEM measurement.From XRD analysis,no impurity was detected.Small amount of F-doping was effective to improve electrochemistry.An asymmetric phenomenon was found in the chargingdischarging curves,due to the pure chemical reaction between transition metal ions.Although small amount of F-doping was good at the discharge capacity,it was harmful to the cycle stability.
lithium insertion-deinsertion;Li-ion batteries;olivine structure;asymmetric phenomenon
TM 912
A
1002-087 X(2016)03-0525-02
2015-08-22
江蘇省自然科學(xué)基金項目(BK2009110)
耿海龍(1973—),男,山西省人,碩士,主要研究方向為鋰離子電池正極材料。