Otrzymywanie oraz właściwości fizykochemiczne xLi2MnO3•(1-x)LiMO2 - wysokonapięciowych materiałów katodowych dla ogniw Li-ion

• Autorzy: Redel K. , Kulka A. , Ziąbka M. , Molenda J.

Warianty tytułu

EN

Preparation and physicochemical properties of xLi2MnO3•(1-x)LiMO2 - high-voltage cathode materials for Li-ion batteries

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

W pracy przedstawiono warunki wysokotemperaturowej syntezy materiałów katodowych na bazie Li2MnO3 oraz 0,9Li2MnO3∙0,1LiMn1-yNiyO2 (0,1 ≤ y ≤ 0,9). Wykonano badania XRD, określono strukturę krystaliczną oraz skład fazowy otrzymanych proszków, a także zbadano ich mikrostrukturę za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM). Określono także zmiany wielkości cząstek wraz ze wzrostem zawartości niklu w badanych materiałach. W celu wykonania pomiarów elektrochemicznych skonstruowano ogniwa o schemacie Li/Li+/Li2MnO3 oraz Li/Li+/0,9Li2MnO3•0,1LiMn1-yNiyO2 (0,1 ≤ y ≤ 0,9), a następnie wykonano testy cyklicznego ładowania i rozładowania ogniwa. Określono pojemności właściwe oraz stabilność materiałów podczas pracy ogniwa pod obciążeniem prądowym C/20, C/10 i C/5 w zakresie napięć od 2,0 V do 4,8 V. Najwyższe pojemności rozładowania odnotowano dla składu 0,9Li2MnO3•0,1LiMn0,1Ni0,9O2. Dla tego materiału zaobserwowano również redukcję nieodwracalnego spadku pojemności podczas pierwszego cyklu ładowania.

EN

The work presents the description of high temperature solid-state reaction synthesis cathode materials based on Li2MnO3 and 0.9Li2MnO3•0.1LiMn1-yNiyO2 (0.1 ≤ y ≤ 0.9). The crystal structure and phase composition of the synthesized materials were examined by the XRD technique. To characterize the microstructure a scanning electron microscope SEM was used. Changes of the particle size with increase of the nickel content in tested materials were also determined. In order to perform electrochemical measurement, the Li/Li+/Li2MnO3 and Li/Li+/0.9Li2MnO3•0.1LiMn1-yNiyO2 cells were prepared, followed by a cyclic charge and discharge test. Specific capacity and stability were examined during the charge and discharge cycles at a current rate of C/20, C/10 and C/5 in a voltage range of 2.0-4.8 V. The highest discharge capacity was found for the composition 0.9Li2MnO3•0.1LiMn0.1Ni0.9O2. For this material, a reduction of the irreversible capacity decrease during the first charging was also observed.

Słowa kluczowe

PL

Li2MnO3-LiMO2; ogniwa Li-ion; materiał katodowy; tlenki warstwowe

EN

Li2MnO3-LiMO2; Li-ion batteries; cathode material; Layered oxide

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Ceramiczne
• Czasopismo: Materiały Ceramiczne
• Rocznik: 2018
• Tom: T. 70, nr 1
• Strony: 3--12
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Redel K.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Energetyki i Paliw, Katedra Energetyki Wodorowej, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Polska

autor

Kulka A.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Energetyki i Paliw, Katedra Energetyki Wodorowej, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Polska

autor

Ziąbka M.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, Katedra Ceramiki i Materiałów Ogniotrwałych, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Polska

autor

Molenda J.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Energetyki i Paliw, Katedra Energetyki Wodorowej, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Polska

Bibliografia

• [1] Molenda, J.: Material problems and prospects of Li-ion batteries for vehicles appliations, Funct. Mater. Lett., 4, (2011), 107–112, doi:10.1142/S1793604711001816.
• [2] Kim, J.G., Son, B., Mukherjee, S., Schuppert, N., Bates, A., Kwon, O., Choi, M. J., Chung, H. Y., Park, S.: A review of lithium and non-lithium based solid state batteries, J. Power Sources., 282, (2015), 299–322, doi:10.1016/j.jpowsour.2015.02.054.
• [3] Molenda, J., Milewska, A., Zając, W., Rybski, M., Tobola, J.: Correlation between electronic structure, transport and electrochemical properties of a LiNi1−y−zCoyMnzO2 cathode material, Phys. Chem. Chem. Phys., 19, (2017), 25697-25706, doi:10.1039/C7CP04633B.
• [4] Hy, S., Cheng, J. H., Liu, J. Y., Pan, C. J., Rick, J., Lee, J. F., Chen, J. M., Hwang, B. J.: Understanding the role of Ni in stabilizing the lithium-rich high-capacity cathode material Li[NixLi(1-2x)/3Mn(2-x)/3]O2(0 ≤ x ≤ 0.5), Chem. Mater., 26, (2014), 6919–6927, doi:10.1021/cm501664y.
• [5] Torres-Castro, L., Shojan, J., Julien, C. M., Huq, A., Dhital, C., Paranthaman, M. P., Katiyar, R. S., Manivannan, A.: Synthesis, characterization and electrochemical performance of Al-substituted Li2MnO3, Mater. Sci. Eng. B Solid-State Mater. Adv. Technol., 201, (2015), 13–22, doi:10.1016/j.mseb.2015.07.006.
• [6] Li, J., Klöpsch, R., Stan, M. C., Nowak, S., Kunze, M., Winter, M., Passerini, S.: Synthesis and electrochemical performance of the high voltage cathode material Li[Li0.2Mn0.56Ni0.16Co0.08]O2 with improved rate capability, J. Power Sources., 196, (2011), 4821–4825, doi:10.1016/j.jpowsour.2011.01.006.
• [7] Yang, F., Zhang, Q., Hu, X., Peng, T.: Synthesis of layered xLi2MnO3∙(1−x)LiMnO2 nanoplates and its electrochemical performance as Li-rich cathode materials for Li-ion battery, Electrochim. Acta., 165, (2015), 182–190, doi:10.1016/j.electacta.2015.03.004.
• [8] Kim, S., Kim, C., Noh, J. K., Yu, S., Kim, S. J., Chang, W., Choi, W. C., Chung, K. Y., Cho, B. W.: Synthesis of layered-layered xLi2MnO3∙(1-x)LiMO2 (M = Mn, Ni, Co) nanocomposite electrodes materials by mechanochemical process, J. Power Sources., 220, (2012), 422–429, doi:10.1016/j.jpowsour.2012.07.135.
• [9] Zhang, Q., Peng, T., Zhan, D., Hu, X.: Synthesis and electrochemical property of xLi2MnO3∙(1-x)LiMnO2 composite cathode materials derived from partially reduced Li2MnO3, J. Power Sources., 250, (2014), 40–49, doi:10.1016/j.jpowsour.2013.10.139.
• [10] Saubanère, M., McCalla, E., Tarascon, J.-M., Doublet, M.-L.: The intriguing question of anionic redox in high-energy density cathodes for Li-ion batteries, Energy Environ. Sci., 9, (2016), 984–991, doi:10.1039/C5EE03048J.
• [11] Grimaud, A., Hong, W. T., Shao-Horn, Y., Tarascon, J. M.: Anionic redox processes for electrochemical devices, Nat. Mater., 15, (2016), 121–126, doi:10.1038/nmat4551.
• [12] Luo, K., Roberts, M. R., Guerrini, N., Tapia-Ruiz, N., Hao, R., Massel, F., Pickup, D. M., Ramos, S., Liu, Y. S., Guo, J., Chadwick, A. V., Duda, L. C., Bruce, P. G.: Anion Redox Chemistry in the Cobalt Free 3d Transition Metal Oxide Intercalation Electrode Li[Li0.2Ni0.2Mn0.6]O2, J. Am. Chem. Soc., 138, (2016), 11211–11218, doi:10.1021/jacs.6b05111.
• [13] Wu, Y., Xie, L., He, X., Zhuo, L., Wang, L., Ming, J.: Electrochemical activation, voltage decay and hysteresis of Li-rich layered cathode probed by various cobalt content, Electrochim. Acta., 265, (2018), 115–120, doi:10.1016/j.electacta.2018.01.181.
• [14] Lanz, P., Sommer, H., Schulz-Dobrick, M., Novák, P.: Oxygen release from high-energy xLi2MnO3∙(1-x)LiMO2 (M = Mn, Ni, Co): Electrochemical, differential electrochemical mass spectrometric, in situ pressure, and in situ temperature characterization, Electrochim. Acta., 93, (2013), 114–119, doi:10.1016/j.electacta.2013.01.105.
• [15] Oh, P., Oh, S. M., Li, W., Myeong, S., Cho, J., Manthiram, A.: High-Performance Heterostructured Cathodes for Lithium-Ion Batteries with a Ni-Rich Layered Oxide Core and a Li-Rich Layered Oxide Shell, Adv. Sci., 3, (2016), 1–8, doi:10.1002/advs.201600184.
• [16] Mohanty, D., Li, J., Nagpure, S. C., Wood, D. L., Daniel, C.: Understanding the structure and structural degradation mechanisms in high-voltage, lithium-manganese-rich lithium-ion battery cathode oxides: A review of materials diagnostics, MRS Energy Sustain., 2, (2015), E15, doi:10.1557/mre.2015.16.
• [17] Larson, A. C., Von Dreele, R .B.: GSAS General Structure Analysis System, Los Alamos Natl. Lab. Rep. LAUR., (2004), 86–748,
• [18] Shunmugasundaram, R., Arumugam, R. S., Dahn, J. R.: A Study of Stacking Faults and Superlattice Ordering in Some Li-Rich Layered Transition Metal Oxide Positive Electrode Materials, J. Electrochem. Soc., 163, (2016), 1394–1400, doi:10.1149/2.1221607jes.

Uwagi

PL

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).