共沉淀反应时间对LiNi sub 0.5 _sub Co sub 0.2 _sub Mn sub 0.3 _sub O sub 2 _sub 正极材料形貌和电化学性能的影响 sup ① _sup _夏凌峰.pdf

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共沉淀反应时间对 LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料形貌 和电化学性能的影响 ① 夏凌峰, 李灵均, 杨慧平, 赵子祥 (长沙理工大学 材料科学与工程学院,湖南 长沙 410000) 摘 要 采用共沉淀法制备 Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2前驱体,并通过高温固相法合成 LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料,研究了反应时间对 Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2前驱体和 LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料的形貌、结构以及电化学性能的影响。 结果表明,随着反应时间增加,前 驱体和正极材料的二次颗粒粒径逐渐增大;若反应时间过短,二次颗粒粒径小,易加剧电化学循环过程中材料与电解液的副反应, 正极材料循环性能较差;若反应时间过长,二次颗粒粒径过大,增加了锂离子扩散路径,也不利于正极材料在高倍率下的循环。 反 应 16 h 制备的 LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料具有适中的颗粒粒径,拥有优异的电化学性能,在 1C 倍率经过 180 圈循环容量保持率 可达 75.3%,5C 倍率经过 300 圈循环容量保持率可达 56.0%。 关键词 锂离子电池; 正极材料; 三元正极材料; 前驱体; 共沉淀法; 电化学性能 中图分类号 TM911文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2020.02.030 文章编号 0253-6099(2020)02-0123-04 Effect of Reaction Time of Coprecipitation on Morphology and Electrochemical Properties of LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2Cathode Material XIA Ling-feng, LI Ling-jun, YANG Hui-ping, ZHAO Zi-xiang (School of Materials Science and Engineering, Changsha University of Science and Technology, Changsha 410000, Hunan, China) Abstract Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2precursor was prepared by coprecipitation process, and LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2cathode material was synthesized by a high-temperature solid-state method. The effect of reaction time on the morphology, structure and electrochemical properties of Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2precursor and LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2cathode materials were investigated. Results show that with the increase of reaction time, the secondary particle sizes of precursor and material are gradually increased. If the reaction time is too short, the secondary particle size will be small, which is prone to aggravate the side reaction between electrode and electrolyte during the electrochemical cycle, leading to the deterioration of the capacity retention of the material. However, a too long time of reaction will result in secondary particle size being too large, which increases the lithium ion diffusion path and is not beneficial to the capacity retention of the cathode at a high rate. The LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2cathode material prepared with 16 h reaction time has the moderate particle size and an excellent electrochemical performance, with 75.3% capacity retention after 180 cycles at 1C rate and 56.0% capacity retention after 300 cycles at 5C rate. Keywordslithium-ionbattery;cathodematerial;tertiarycathodematerial;precursor;co-precipitation; electrochemical performance 锂离子电池 LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料具有高 容量、低成本的优点,被认为是最有发展前景的正极材 料之一[1-3]。 目前,该材料的制备方法主要有固相法、溶胶-凝 胶法、共沉淀法等[4-6]。 其中,共沉淀法因易于控制材 料形貌及粒度、有利于获得高体积能量密度的球形二 ①收稿日期 2019-11-24 基金项目 国家自然科学基金(51774051);湖南省湖湘青年英才(2019RS2034);长沙市杰出创新青年基金(KQ1707014);湖南省自然科学 基金(2018JJ2428) 作者简介 夏凌峰(1994-),男,江西丰城人,硕士,主要从事锂离子电池正极材料的研究。 通讯作者 李灵均(1984-),男,湖南邵阳人,副教授,主要从事新能源材料与器件的研究。 第 40 卷第 2 期 2020 年 04 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.40 №2 April 2020 ChaoXing 次颗粒,成为工业化常用的制备方法。 在共沉淀法制 备前驱体过程中,pH 值、反应温度和反应时间等都会 影响材料的合成[7-8]。 相比于其它条件,反应时间影 响着材料二次颗粒粒径大小,是决定材料循环和倍率 性能的重要因素。 在前人研究基础上,本文采用共沉 淀法制备球形 Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2前驱体,并合成了 LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料,重点研究反应时间对前 驱体和正极材料结构、形貌以及电化学性能的影响。 1 实 验 1.1 实验原料及方法 采用共沉淀法制备 Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2前驱体。 将摩尔比为 5∶2∶3的 NiSO46H2O(化学纯)、CoSO4 7H2O(化学纯)、MnSO4H2O(化学纯)溶于去离子水 中配成总金属浓度为 2 mol/ L 的硫酸盐溶液。 同样用 去离子水配制 2 mol/ L 的 NaOH(化学纯)溶液,同时 将稀释后的氨水溶液倒入氨水罐中。 通过蠕动泵将上 述溶液并流泵入反应釜中,反应过程中通入 N2作为保 护气,控制反应体系温度 55 ℃,pH 值 11,控制反应过 程中的反应时间(12 h,16 h,20 h,24 h)。 反应结束后 将溶液陈化 4 h,经过 3~4 次抽滤洗涤后在 110 ℃烘 箱中烘干。 采用固相法合成 LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料。 将上述 Ni0.5Co0. 2Mn0.3(OH)2前驱体与 Li2CO3(化学 纯)混合均匀(Ni0.5Co0. 2Mn0.3(OH)2/ Li2CO3摩尔比为 2 ∶1.05),然后放入马弗炉中 480 ℃预烧 5 h,再 880 ℃ 煅烧12 h,待自然冷却至室温后将样品取出。 1.2 材料的表征及电化学性能测试 通过 X 射线衍射(XRD, Bruker D8 Advance,德 国)对合成材料进行物相结构分析,使用扫描电子显 微镜(SEM, Hitachi S530,日本)对样品进行材料微观 形貌观测。 将正极材料、乙炔黑、PVDF 按 8 ∶1 ∶1制备成正极 片,金属锂片作为负极,隔膜型号为 Celgard 2400, 1 mol/ L LiPF6与碳酸甲乙酯 (EMC)、碳酸二甲酯 (DMC)和碳酸乙烯酯(EC)的混合溶液作为电解液, 其体积比为 1∶1 ∶1,在充满氩气的手套箱中组装扣式 电池。 在 30 ℃、2.7~4.6 V 电压区间内采用充放电测 试仪(BTS 400,深圳新威)进行电池电化学性能测试。 2 实验结果及讨论 2.1 Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2前驱体表征 2.1.1 XRD 物相表征 不同反应时间合成的 Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2前驱 体的 XRD 图谱见图 1。 图中没有出现杂峰,4 组样品 的 XRD 曲线都对应着 β-Ni(OH)2,且样品的衍射峰峰 型都很尖锐,表明通过本方法成功地合成了不同反应 时间的 Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2前驱体。 5030107090 2 / θ 24 h 20 h 16 h 12 h 图 1 Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2前驱体 XRD 图谱 2.1.2 SEM 形貌表征 图 2 为不同反应时间制备的 Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2 前驱体 SEM 图。 由图 2 可知,所有样品二次颗粒呈类 球状,随着反应时间增加,前驱体的二次颗粒粒径逐渐 增大。 前驱体在制备过程中晶体的成核及长大相互作 用。 在反应过程中反应时间越长,对应的反应速率越 小,因此反应物中的过饱和度也越低。 根据晶体成核 理论[9],过饱和度低,反应物中的晶体成核速率小于 生长速率,因而反应结束后得到粒径较大的颗粒。 图 2 Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2前驱体 SEM 图 (a),(b) 12 h; (c),(d) 16 h; (e),(f) 20 h; (g),(h) 24 h 2.2 LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料表征 2.2.1 XRD 物相表征 图 3 为不同反应时间制备的 LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2 样品的 XRD 图谱。 经过检索比对,所有样品均为 α-NaFeO2结构,属于 R-3 空间群并且没有出现杂峰。 (006) / (012)和(018) / (110)存在明显的分裂峰,说 明制备的样品具有良好的层状结构[10-14]。 样品的晶 格参数和 c/ a 如表 1 所示。 由表 1 可知,随着反应时 间增加,样品晶格参数均发生变化,反应时间 16 h 时 421矿 冶 工 程第 40 卷 ChaoXing 样品的 c/ a 值最大,说明样品具有较好的层状结构。 5030107090 2 / θ 24 h 20 h 16 h 12 h PDF70-4314 003 101 104 015 107 113 018/110 006/012 图 3 LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料 XRD 图 表 1 LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料晶胞参数 样品a/ nmc/ nmc/ a 值 12 h0.286 811.421 384.955 8 16 h0.286 571.423 024.965 7 20 h0.286 851.415 294.933 9 24 h0.286 501.4222 84.964 3 2.2.2 SEM 形貌表征 图 4 为不同反应时间制备的 LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2 正极材料的 SEM 图。 由图 4 可知,所有样品都是由一 次颗粒团聚而成的类球形二次颗粒,反应时间 12 h 时 样品二次颗粒的平均粒径约 4 μm;随着反应时间增 加,二次颗粒逐渐长大,24 h 样品二次颗粒的平均粒 径约 6 μm。 图 4 LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料 SEM 图 (a),(b) 12 h; (c),(d) 16 h; (e),(f) 20 h; (g),(h) 24 h 2.2.3 电化学性能表征 图 5 为不同反应时间所得样品在 0.1C 倍率时的 初始充放电曲线。 由图 5 可知,反应时间 12 h 样品 的初 始 放 电 比 容 量 为 213. 1 mAh/ g,库伦效率为 87.88%;16 h、20 h 和 24 h 样品的初始放电比容量分 别为 210.3、214.6 和 211.9 mAh/ g,库伦效率分别为 88.08%、88.51%和 88.34%,不同反应时间所得到的样 品首次放电容量及库伦效率差别不是很大。 放电比容量/mAh g-1 4.8 3.6 2.4 4.8 3.6 2.4 4.8 3.6 2.4 4.8 3.6 2.4 500100150200250 电压/V 24 h 20 h 16 h 12 h 图 5 LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料初始充放电比容量曲线 图 6 为 LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料在不同焙率 下的循环曲线。 由图 6 可知,在 1C 倍率下,经过 180 圈循环后,反应时间 12 h 样品的放电比容量从 188.6 mAh/ g 衰减到 138.9 mAh/ g,容量保持率为 73.7%。 16 h、20 h 和 24 h 样品的容量保持率分别为 75.3%、 72.0%和 73.1%。 在 5C 倍率下,经过 300 圈循环后, 12 h、16 h、20 h 和24 h 样品的容量保持率分别为 49.6%、 56.0%、32.3%和 40.9%。 16 h 样品展现出最佳的循环 性能。 循环次数/圈 210 180 150 120 3006090120150180 放电比容量/mAh g-1 a 循环次数/圈 180 120 60 0 500100150200250300 放电比容量/mAh g-1 b 12 h 16 h 20 h 24 h ■ ● ▲ ▲ 12 h 16 h 20 h 24 h ■ ● ▲ ▲ 图 6 LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料循环曲线 (a) 1C 倍率; (b) 5C 倍率 521第 2 期夏凌峰等 共沉淀反应时间对 LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料形貌和电化学性能的影响 ChaoXing 图 7 为样品在不同电流密度下的倍率性能。 由图 7 可知,不同反应时间的样品在大倍率电流密度下差 别较大,其中反应时间 16 h 样品在 10C 倍率下具有最 高的放电比容量,可达 122.9 mAh/ g。 循环次数/圈 250 200 150 100 50 0 50101520253035 放电比容量/mAh g-1 12 h 16 h 20 h 24 h ■ ● ▲ ▲ 0.1C 0.5C 1C 1C 3C 5C 10C 图 7 LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料倍率曲线 反应时间过长或过短都不利于材料的倍率性能以 及材料在大倍率(5C)下的循环性能。 这主要是因为 反应时间较长时,获得的材料粒径较大,在充放电过程 中不利于锂离子的脱嵌;而反应时间较短时,所合成材 料二次颗粒的粒径较小,比表面积较大,使得材料在高 压循环过程中易于与电解液发生副反应,恶化材料的 循环性能。 因此,选择适当的反应时间对材料的电化 学性能尤为重要。 3 结 论 采用共沉淀法制备 Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2前驱体, 并合成了 LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料。 其中,16 h 反 应时间合成的 LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2正极材料具有最佳 的电化学性能,在2.7~4.6 V ,0.1C 下首次放电比容量 为 210.3 mAh/ g,1C 电流密度下经过 180 圈循环,容量 保持率可达 75.3%。 优异的电化学性能可能归因于以 下原因 1) 与 24 h 样品相比,反应时间 16 h 可获得相对 更小粒径的二次颗粒,因而缩短了锂离子的扩散路径, 这有助于增强材料的倍率性能。 2) 与 12 h 样品相比,16 h 样品的二次颗粒粒径 较大,材料比表面积更小,材料与电解液的副反应也更 少,从而增强了材料在高电压、大倍率下的循环性能。 参考文献 [1] Zhang M F, Hu G R, Wu L L, et al. 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