周鋼,陳月皎,范洪波
(1.東莞理工學院生態(tài)環(huán)境與建筑工程學院,廣東東莞,523808;2.中南大學粉末冶金國家重點實驗室,湖南長沙,410083)
鋰離子電池具有能量密度、功率密度較高,使用壽命長以及環(huán)境友好的特點,被廣泛應用于電子產品中[1-3],而尖晶石結構的錳酸鋰(LiMn2O4)成本低、資源豐富、環(huán)境友好,是最具潛力的鋰電正極材料之一[4]。LiMn2O4屬于AB2O4型化合物,空間群為Fd3m,其中,氧原子呈面心立方最密堆積排布,鋰離子占據(jù)著1/8的四面體空隙,錳離子交替位于氧原子密堆積的八面體間隙位置[2,5],是一種具有三維通道的嵌入化合物,具有較高的儲鋰理論容量(148 mA·h/g)。然而和其他電池正極材料相比,其能量密度相對較小,化學穩(wěn)定性較低,尤其是存在著以下幾個問題:1)Mn3+的Jahn-Teller效應,會造成晶格畸變,破壞結構,導致循環(huán)性能變差;2)放電末期Mn3+的歧化反應,生成的Mn2+溶于電解液中,造成活性物質減少,降低電池電性能[6-8]。為了改善LiMn2O4的電化學性能,常用的方法有包覆、陽離子摻雜、納米化尺寸等[4-5,9-14]。目前常見的制備錳酸鋰的方法有水熱法[11]、模板法[10,15]、固相合成法[16]等。傳統(tǒng)的固相法制備的LiMn2O4一般是微米級別,為了合成出納米尺寸的LiMn2O4,本文作者選用水熱法制備的α-MnO2作為前驅體,與LiOH·H2O固相燒結合成納米棒形貌的LiMn2O4,研究水熱反應時間、溫度和反應物物質的量比對前驅體α-MnO2形貌結構和性能的影響。
水熱合成α-MnO2,然后將其與LiOH·H2O 在氬氣下進行固相燒結制備出納米棒狀結構的錳酸鋰。
1.1.1 α-MnO2的制備
α-MnO2的形貌結構主要受到水熱反應溫度、時間及反應物物質的量比的影響。因此實驗設計了反應溫度、反應時間、反應物物質的量比3個對照組來探究合成α-MnO2納米線的最佳實驗條件。
水熱反應反應方程式為
按照物質的量比為1:1:2 將Mn(CH3COO)2·4H2O,(NH4)2S2O8和(NH4)2SO4加入燒杯中,加入60 mL 去離子水,攪拌至完全溶解。將混合均勻的溶液移至100 mL 的反應釜內進行水熱反應。反應結束后將獲得的α-MnO2分別在去離子水和乙醇溶液中洗滌并干燥(100 ℃,12 h)。
1.1.2 尖晶石LiMn2O4的合成
將α-MnO2納米線與LiOH·H2O 在管式爐中固相燒結,制備出尖晶石結構錳酸鋰納米棒。
固相燒結反應方程式為
將物質的量比為1:2 的LiOH·H2O 和α-MnO2放入小燒杯,在140 ℃反應12 h,四水乙酸錳、過二硫酸銨、硫酸銨的物質的量比為1:1:4,滴加5 mL無水乙醇,于攪拌器上攪拌至乙醇完全揮發(fā)。然后將樣品于管式爐中,在480 ℃固相燒結10 h,升溫速率為1 ℃/min。
采用場發(fā)射掃描電鏡(SEM,NOVA NANO SEM230)和透射電子顯微鏡(TEM,TECNAI G2 F20)分析形貌和結構。采用X 射線衍射分析儀(XRD,日本Rigaku公司)分析材料物相,輻射源采用CuKα(λ=1.54056×10-10m),掃描范圍為10°~85°。
按質量比7:2:1 稱取制備的LiMn2O4納米棒、Super-P(導電劑)和PVDF(聚偏氟乙烯,黏結劑)。研磨LiMn2O4和Super-P的混合物,加入溶有PVDF的N-甲基吡咯烷酮(NMP)中,攪拌12 h 后涂于鋁箔,在60 ℃下真空干燥12 h,在沖壓機上沖成直徑為12 mm 的圓形極片并稱質量。電池組裝在充滿氬氣的手套箱中進行,水氧質量分數(shù)控制在0.5×10-6左右,采用Celgard 2400 作為鋰電隔膜,金屬鋰片作負極,采用高壓電解液(碳酸乙烯酯(EC)+碳酸二甲酯(DMC)),組裝成CR2025型半電池。
循環(huán)性能、倍率性能和充放電曲線在藍電測試系統(tǒng)(LANHE CT2001A,武漢藍電電子有限公司生產)上進行,循環(huán)伏安曲線(CV)在電化學工作站上以0.1 mV/s速率測試(電壓為3.5~4.3 V)。
2.1.1 反應時間對合成α-MnO2的影響
固定反應溫度(120 ℃)和反應物物質的量比(四水乙酸錳、過二硫酸銨、硫酸銨的物質的量比為1:1:2),設置8組反應時間(4,6,8,10,12,24,36,48 h)進行水熱反應。所得產物的SEM形貌圖如圖1所示。
從圖1可以看出,隨著水熱反應時間的延長,α-MnO2的形貌結構發(fā)生較大變化。反應4 h時,大部分α-MnO2以納米球狀形態(tài)存在,只有很小一部分為納米線,說明在此時納米線已經(jīng)開始形成。當反應進行到8 h時,已經(jīng)可以看到大量的線狀結構,但是納米線比較短,說明此時納米線已經(jīng)形成,但是還沒有長全。反應10~12 h時,可以發(fā)現(xiàn)納米線逐漸變長變細,反應12 h 時,納米線已經(jīng)完全長好。當反應時間超過24 h 時,可以發(fā)現(xiàn)納米線變粗,發(fā)生團聚。隨著反應時間進一步延長到,團聚現(xiàn)象更加嚴重。由此可知,制備α-MnO2最佳反應時間為12 h。
圖2所示為不同反應時間的XRD圖譜。從圖2可以看出,反應時間為4,6,8,10和12 h的反應產物都能較好地對應α-MnO2的標準PDF卡片,但是在20°~30°之間有許多小雜峰,這些雜峰隨著反應時間的增長而逐漸消失,這些雜峰可能是反應的中間產物。當反應進行到12 h 以上時,雜峰已經(jīng)基本消失。這說明此時反應已經(jīng)進行完全。因此,選擇12 h 作為反應時間可以獲得α-MnO2的純相。另外,隨著反應時間的延長,峰強比逐漸提升,說明α-MnO2的結晶度逐漸提升。
2.1.2 反應溫度對合成α-MnO2的影響
固定反應時間(12 h)和反應物物質的量比(四水乙酸錳、過二硫酸銨、硫酸銨的物質的量比為1:1:2),設置3 組反應溫度(80,140 和180 ℃)進行水熱反應,所得產物的SEM形貌圖如圖3所示。
從圖3可看出,水熱反應溫度為140 ℃時得到的納米線結構最好,納米線的長度為1~3 μm,寬度為25~30 nm。當反應溫度為80 ℃時,納米線粗細長度不均勻,較為雜亂,這說明在80 ℃/12 h的條件下,納米線還沒有完全長好。而在反應溫度為180 ℃時,納米線結構已經(jīng)被破壞,這說明反應時間12 h用180 ℃的反應溫度過高。在反應溫度為140 ℃時得到的納米線長徑比大,粗細均勻,因此,水熱反應的溫度應當設定在140 ℃左右。
2.1.3 反應物物質的量比對合成α-MnO2的影響
固定反應時間(12 h)和反應溫度(140 ℃),設置四水乙酸錳、過二硫酸銨、硫酸銨的物質的量比分別為1:1:0,1:1:1,1:1:3,1:1:4 共4 組試驗,進行水熱反應。所得產物的XRD圖譜如圖4所示。
圖1 不同水熱反應時間制備的α-MnO2的SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM images of α-MnO2 obtained with different reaction time
圖2 不同水熱反應時間的XRD圖譜Fig.2 XRD patterns of α-MnO2 obtained with different reaction time
從圖4可知,當不加入硫酸銨時(物質的量比為1:1:0),MnO2的晶型為β 型。當加入硫酸銨時,得到了α 晶型的MnO2。α-MnO2是由八面體[MnO6]為基礎單元組成的2×2 型晶體,而β-MnO2是由八面體[MnO6]為基礎單元組成的1×1型晶體,因此β-MnO2要比α-MnO2更加穩(wěn)定。當沒有外界影響因素的干擾時,α-MnO2會自發(fā)地轉變?yōu)棣?MnO2。加入鹽就是為了阻止這種相變的發(fā)生。當加入了陽離子,如K+,NH4+,H3O+,Ba2+,Na+時,這些陽離子濃度足夠大時就會有很大的概率進入到2×2型晶體孔道中,使得α-MnO2相得以穩(wěn)定存在。另外,陽離子主要是控制MnO2的晶型,而陰離子主要是控制MnO2的形貌。
圖3 不同反應溫度制備的α-MnO2的SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM images of α-MnO2 obtained at different reaction temperatures
圖5所示為不同反應物物質的量比的SEM 照片。從圖5(a)可以看出:MnO2為納米棒狀結構。陰離子如F-,促使了納米線結構的形成,其機理如下:由于F-具有很強的電負性,它可以吸附在β-MnO2的(100)及(200)晶面,導致這2 個晶面的生長受阻,從而形成了納米線狀結構。而由于的離子半徑較F-的大,因此會優(yōu)先吸附在Mn2+濃度較低的(100)面,主要抑制了(100)晶面的生長。因此,當陰離子為得到的MnO2為截面為方形的納米線結構(圖5(b)~(d))。另外,由于的離子半徑較大,它還會降低離子的擴散速率,使得加入硫酸鹽得到的產物比加入其他鹽的產物小。從圖5還可以發(fā)現(xiàn),四水乙酸錳、過二硫酸銨、硫酸銨的物質的量比為1:1:4 時得到的納米線結構更好。因此,四水乙酸錳、過二硫酸銨、硫酸銨的最佳物質的量比為1:1:4。
圖4 不同硫酸銨比例產物的XRD圖譜Fig.4 XRD patterns of products obtained with different ratios of reactants
圖5 不同反應物比例的SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM images of products obtained with different ratios of reactants
通過設置實驗對照組,最終確定了水熱溫度140 ℃,水熱反應時間12 h,四水乙酸錳、過二硫酸銨、硫酸銨的物質的量比1:1:4 時可以得到最佳的α-MnO2納米線結構。對此條件下合成的α-MnO2納米線進行TEM表征,如圖6所示。
圖6(a)中標記的晶面間距為0.690 nm,與標準PDF 卡片的(110)晶面間距相符,即在納米線生長的過程中,(100)晶面的生長受到限制,晶體延<110>方向生長,與前述的納米線生長機理“吸附在(100)晶面上限制晶面生長”一致。從圖6(b)和(c)可得:納米線結構直徑為10~30 nm,長度為1~2 μm。由圖6(d)可見:產物的衍射花樣為明銳的衍射亮點,說明α-MnO2結晶性非完美。
2.2.1 LiMn2O4的形貌分析
圖7所示為制備的LiMn2O4SEM 照片。從圖7可以看出,LiMn2O4為納米棒狀結構,較為分散且均勻。納米棒長1~4 μm,寬約125 nm,比前驅體α-MnO2的寬度大。納米棒表面有小顆粒,同時還有一些細小的纖維,推測是在燒結過程中納米線被燒斷產生的。
圖8所示為LiMn2O4超高分辨率圖和選區(qū)電子衍射花樣。從圖8(a)可知,測得晶面間距為0.294 nm,根據(jù)標準PDF 卡片PDF#35-0782 得知,尖晶石錳酸鋰的(220)晶面間距為0.291 45 nm,因此可以判定此晶面為(220)晶面。從圖8(b)可見,衍射花樣為明亮的光斑,說明制備的LiMn2O4具有良好的結晶結構。
2.2.2 LiMn2O4的XRD分析
圖9所示為LiMn2O4納米棒的XRD圖譜。由圖9可知,所有峰均能和標準錳酸鋰標準PDF卡片對應,并且沒有其他雜峰存在,說明制備出了較純的尖晶石結構錳酸鋰。
2.2.3 LiMn2O4的電化學性能
圖10(a)所示為LiMn2O4放電速率1C下循環(huán)1圈,50 圈,100 圈,200 圈時的充放電曲線。從圖10(a)可以發(fā)現(xiàn)2 個明顯的在4 V 左右的放電平臺,分別代表充放電過程中的2 個相變過程,即LiMn2O4/Li0.5Mn2O4和Li0.5Mn2O4/γ-MnO2。
圖10(b)所示為LiMn2O4在3.5~4.3 V 的電壓區(qū)間內以1C倍率充放電的循環(huán)性能,循環(huán)圈數(shù)為287圈。可見:首圈的充電比容量為119.9 mA·h/g,放電比容量為104.8 mA·h/g。首圈效率為87%。在第一圈結束后,庫侖效率快速升至接近100%。首次不可逆容量比例為11%。當循環(huán)100圈時,放電比容量為91.8 mA·h/g,容量保持率為87.6%。當循環(huán)150 圈時,放電比容量為88.5 mA·h/g,容量保持率為84.4%。當循環(huán)圈數(shù)到250 圈時,放電比容量為77.2 mA·h/g,容量保持率為73.7%。
圖7 尖晶石錳酸鋰SEM照片F(xiàn)ig.7 SEM images of spinel LiMn2O4
圖8 LiMn2O4 HRTEM照片及選區(qū)電子衍射花樣Fig.8 HRTEM image and SAED of LiMn2O4
圖9 LiMn2O4納米棒的XRD圖譜Fig.9 XRD pattern of LiMn2O4 nanorods
圖10(c)所示為LiMn2O4的倍率性能??梢姡琇iMn2O4在放電速率0.5C和1C時還保持著很好的容量,其中,放電速率1C下,放電結束時還保持著93%的容量,但是當放電速率上升到3C以上時,容量衰減很快。當放電速率3C時,電池保持75%的容量,5C時,保持49%的容量,當放電速率10C和20C時,分別只有30%和13%的容量。這說明制備得到的LiMn2O4納米棒正極材料無法在超大倍率放電。分析原因可能是在較大倍率的充放電過程中,鋰離子來不及進入四面體空位而進入到八面體空位,導致形成了Li2Mn2O4。此時錳離子主要以三價存在,Jahn-Teller效應非常明顯,尖晶石錳酸鋰的晶體結構發(fā)生改變?yōu)樗姆骄?,鋰離子的三維擴散通道受到阻礙,導致材料的容量下降。另外,當充放電速率過大時,會導致錳酸鋰發(fā)生團聚,從而導致鋰離子擴散困難,容量下降。
圖10(d)所示為LiMn2O4的CV曲線,掃描速度為0.1 mV/s,電壓范圍為3.5~4.3 V。從圖10(d)可見2對非常明顯的氧化還原峰,說明鋰離子在尖晶石錳酸鋰中的嵌入和脫嵌分2步進行。這與放電速率1C時的充放電曲線相符。第一組氧化還原峰在4.05/3.93 V,代表了一半的鋰離子從四面體空位嵌入或是脫嵌。第二組氧化還原峰在4.19/4.06 V,代表了另一半的鋰離子從四面體空位嵌入或是脫嵌。圖中的氧化還原峰都非常尖銳并且分離良好,這說明制備得到的錳酸鋰具有良好的結晶度。正極與負極的氧化還原峰的電壓差代表了電池的極化程度。電壓差(0.12 V)小說明錳酸鋰納米棒具有較小的鋰離子遷移阻抗,有利于該材料的倍率放電性能。
圖10 LiMn2O4的電化學性能Fig.10 Electrochemical properties of LiMn2O4
1)以水熱法合成了α-MnO2納米線前驅體,最終確定制備α-MnO2納米線結構的最佳反應條件為水熱溫度140 ℃,水熱反應時間12 h,四水乙酸錳、過二硫酸銨、硫酸銨物質的量比1:1:4。以最佳條件制備的α-MnO2納米線作為模板,成功地制備了尖晶石結構的LiMn2O4納米棒。
2)制備的LiMn2O4納米棒具有較好的結晶性和較大的長徑比,有利于縮短Li+擴散距離,可減少循環(huán)過程中材料的團聚。
3)制備的LiMn2O4納米棒在離子遷移過程中具有較低的阻抗和極化,有利于脫嵌鋰過程中的電化學動力學,充放電測試過程中表現(xiàn)出的良好的倍率性能和循環(huán)性能。