2002 材料导报 添加剂对尖晶石型锰酸锂性质表征的影响.pdf
材料导报 2002年3月第1 6卷第3期 添加剂对尖晶石型锰酸锂性质表征的影响’ 赵铭妹翟玉春 田彦文 (东北大学材料与冶金学院,沈阳110004) 摘要 以L10H·H20和Mnoz为原料,分别掺八H380 3、A120。、s10:和P20。等添加刑,用固相分段法制备尖 晶石型锰酸锂。结果表明,sl()?和P205可以有减地改善LiMnzO;的电化学性蝇,H,Bo,对锰酸握的电化学性能影响 不大,而A120 3破坏了LIMntO.的电化学性能。面扫描结果五示.sl或P元素各自都均匀地分散于L1Mn,O.的物相 中。雎元素电矗性和原子半径的角度分析了B、Sl、P和Al元素对尖晶石型LIMn20。结构和一I生能的_髟响。 关键词 链酸锂尖晶石型添加荆 中圈分类号:TM91 电化学性能 文献标识码:A Effects Of AdditiVes on Characteristics of Spinel Lithium Manganese oxide ZHAO Mingshu (School of Abstract ZHAI Yuchun TIAN Yanwen Mat盯1a1&Metallu。gy,No rIheastern Unlversl’y,Shen”ng 110004,Chlna) By means of solld step sInterl“g method,splnel lIthlum ma“98nese oxides冉ere prepared from LlOH·H20 a11dMn02,wIth addItives such asH3803,Al 20 3,S102 or Pi05 respectively-Theresults showthat S102 or R05 can lonprove electrochemlstry propertles of LIMn20‘,and H3B()3has llttle effect,but AJ20j shows adverse lnnu— ence.SEM(scannl“g ekctro nmlcroscope)analysis reveals that ekment slll∞n or phosphorus LlMnzO‘phase evenly.Based on electrlc n。gativi‘y and atom radlus,the ln玎uence of element rus or can dlstrlbute ln boron,sll】㈣,phospho alu眦nlum on“e structure and propert圯5 of splnel LlMn20^was analvzed. Key words lIthlum ma“ganese oxlde,splnel,addmves.electrochemlstry propertv ~5#样品分别进行检测.xRD测试利用N-一mter.cuK a 0引言 (50mA)反射测得,峰的半宽值的扫描速度与步长分别为10。 锂离子电池是继镍镉电池和金属氢化物镍电池之后的第 ·min 1和o.oz。。用英国Malvern激光粒度仪对5个样品进 三代可充电“绿色电池”,广泛地应用于笔记本电脑、便携式电 行粒度分析。用日本EPMQ 810型扫描电镜对4#丰口5#样 话、激光指针等现代电子设备.钴酸锂、镍酸锂和锰酸锂是主 品进行面扫描分析,观察s-和P元素的分布特征。 要的三种锂离子电池正极材料,其中锰酸锂以其制备成本低、 1.5电化学测试 无环境污染、电化学比容量的有效利用率高而成为研究开发 将活性物质锰酸锂、碳黑、粘结剂以85:1 o:5(wt%,活 的热点“、‘],本文在合成纯相LlMnzO.的基础上,研究舔加剂 性物质、导电剂与牯台剂的加入量精确到万分之一)充分混台 H,Bo,、Al。O,、slO:和P。O;对产物的物相结构和电化学性能 调成糊状,均匀涂敷在镍网上,烘干,压实后作正极片.∞12× 的影响,从结构化学角度分析添加剂的作用,进一步改善尖晶 o.4mm的金属锂片为负极片,ceIgard2300型聚丙烯膜作隔 石型锰酸锂的性能。 膜,1M溶T碳酸乙烯醋:碳酸二甲酯(1;1)的LlPR溶敞 为电解液,在相对湿度为z%的氩气手套箱内装配实验电池。 1实验内容 用Dc一5电化学性能测试仪(上海正方电子电器有限公司)以 1.1试样制鲁 o.1c倍率进行恒电流充放电实验,克放电截止电压为4 将L10H·H20、Mno:和添加剂(H380,、A120。、siOz和 7~ 2.4V。 Pzo!),按一定摩尔比混合球磨,压块后置于Fe—c卜Al丝卧式 炉,用wzK型可控硅温度仪控温,镍铬/镶硅热电偶测温,采 用固相分段法“1在氧气气氛中分别合成终温为750℃的样品 l扛~5#。(注:1#为未加入任何添加剂的样品,2#~5#为 2结果与讨论 2.1物相分析 1#~5#样品的xRD结果见图l。2肆、4#、5#样品中, 分别掺入HsBOnAlzo:、stOz和P20s的样品) (111)晶面、(311)晶面、(400)晶面的相对强度均比1#样品 1,2物性检测 中的(111)晶面、(311)晶面、(400)晶面的相对强度弱。3母样 用日本理学RIGAKu/MAx一3B型x射线衍射仪对l# 品中,(111)晶面的相对强度比1打样品的强.而(311)晶面、 *j工宁省自然科学基金资助项目(9810300702)东北大学《博士学位论文资助计划》项目 赵铭妹:通讯联系人,女,27岁,博士研究生 研究方向:材料物理化学Tel:024_83687731(O)024 83674497(H) E_mall:zhaomshu@163 万方数据 net 举加剂对尖晶石型锰酸锂性顶表征的影响/赵铭妹等 (400)晶面的相对强度比1#样品的弱,由图1可知.分别掺 ·71· 为尖品石型ABz0。构型 入H,B()。、A1。0。、s·o:和P,o,后制备的样晶,其物相结构仍 围1 掺人不同添加剂的LiMnzo·的xRD圉谱 (1#:无添加剂,2#(陶略):添加H,BO。,3#:添加AlzO,,4#:添加sloz,5#:添加R(),) Fig.1 xRD panerns of LiMn,o·dopi“g different a删jtiVe5 (1#:no addhlve,2#:ad出”g H3Bo 3.3#:addi“g A120j,4#:addmg S102·5#:addmg P,O、) Al:o,)的平均粒度为7 82pm,比14样品的甲均粒度明显增 2.2粒度分析 图2给出了l#~5#样品的粒度分析结果。1苒样品(无 添加制)的平均粒度为2 68蚌m。2#样品(由u入H,B(),)的平 大。4#(加入s-O。)和5甘(加入11 zo!)样品的平均粒度分别为 o 83pm,1.29}tm,比l茸样品的粒度小。 均粒度为5.18 pm,比1#样品的平均粒度大。3#样品(加入 P叭K㈣u m P州KkDl盯脚H4m hnlcl|“¨㈣h^KkD…一m 图2掺人不同添加剂的LiMn20·粒度分析 t1#:无掭加剂,2#(图略):添蜘H3Ⅸh.3#:鬻如A1 zo。,4#:添加SD z.5莅:添加P zo:) Tk p日rtick djstrjbution粕alys缸of LjMn20·dopjn冒mffer蛐t additiV眄 Fig.2 (1群;no addltlve,2#:addlng H』B0_.3珥:addl“g A120j,4肆:adding S102·5#:addl“g P20 c) 2.5面扫描分析 2,4电化学性能 对掺入SiO:或P。Os的正极材料用EPMQ_810型电F 对1#~5#样品分别进行电化学性能测试,结果列于表 探针电镜分别进行si元素和P元素的面扫描分析,结果见图 1。由表1知.加入少量的P。O;能够提高锰酸钾的放电比容量 3。图3说明在添加SiO。或P:o。的锰酸锂材料中,sl元素或 和放电平台。加入H,BO,对材料的性能没有明显的改善。掺 P元素各自均匀地分布在uMn zo.物相中。 入A1。O。则大大降低r锰酸锂的放电比容量。研究表明.sl、 B、P等元素的存在对材料隧道结构起到支撑作用,能够减缓 锂离子在品格中反复嵌入脱嵌导致的材料结构畸变.有利于 保持材料的稳定性。可见在L,MnzO。的合成过程巾加入少量 合适的添加剂,通过添加荆不同的作用机理能够改善 L,MnzO.的电化学性能。 袭1 Table 1 掺入添加剂的锰藏锂正楹材料的电化学性能 E1ectrochemlstry of L1Mn?O‘cathode materla addl“g some certalnaddinV。 Fig.5 Ekment mstributjon of Si or P In the LiM“20 pha轴(a:Ele毗nt siIicon.b:Element PhosphorlIs) 万方数据 材料导报 2002年3月摹l 6卷第3期 筹竺昙嚣∥失晶石型锰酸钏懈观效应还有 …~………。 5零翌型翌锂离子在充放电过程中脱嵌/嵌 入的作用 7H’。 尖晶石型锰酸锂属面心结构,一个品胞含有56个原于, 其中8个锂原子,16个锰原于.32个氧原了。可以把这个结构 (1)激光粒度检测表明,添加s-O。或R【).化合物的锰酸 看成是由8个立方亚晶胞构成,每个亚晶胞有4个八面体问 锂材料的平均粒度比纯相锰酸锂的小,而添加H。BO,或 隙和8个四面体间隙.锂原f占据四面体间隙¨],锰原子占据 A1:O。的锰酸锂材料的平均粒度比纯相锰酸锂的人。 八面体间隙.氧位于面心立方结构的结点。尖晶石型LlMnzO。 为三维隧道结构.锂离子的原始位置在8a间隙,可分成两组 (2)面扫描分析表明,添加s·O。或P20 1的锰酸锂材料 中.s·和P元素各自均匀地分布在锰酸锂物相中。 卒间群:4a(o,o,o)和如(1j4,l/4,1 74)”1。充放电过程中,锂 (3)在合成纯相尖晶石型锰酸锂材料的基础E,掭加 离子在尖晶石相中的半四面体问来回移动,分脱嵌和嵌入两 s-o:或P:O;化合物能够提高纯相锰酸锂的放电比容量和放 步。充电时,锂离子从4c位置卜脱嵌;放电时,由于+4价锰 电平台电压,添加H,BO,对锰酸锂材料的电化学性能影响不 舍量的增加,对锂离子产生较强的排斥力.故提供较多的能量 大.而Al。O。添加剂则破坏r锰酸锂的电化学性能。 使锂离子嵌入4a间隙。若加入某些金属元素(或非金属元素) ..... 参考文献 可以增强结构的稳定性,实验证明,si和P元素对L。M。:o. 的电化学性能有较大改善。相对来说.B元素对LlMn20.的 1 Tarascon JM.Mcklnn()nw R,coowar F洲aI.synthesls 电化学性能影响较小.Al元素对LiMn20.的电化学性能产生 condlfl。ns and oxygen stolchlom“ry 负面影响。 tlon —— 衰2某些元素的电负性和原子或离子半径/A Tabk 2 2 1.26 o.88 1.431 1.1 72 J ElcctrDchPm soc.1994, Park H B·Kim J,LPe C W·SynthPsls。f LlMn,O·p()wder 5”J P。”。。50“”5-2001-92‘1’:1 24 —了磊石F—1i—1——万—、『_—下一 原于j离子半径 3 赵铭蛛,翟玉春t田彦文,等·锂离子蓄电池正极材料尖 晶石型锰酸锂的制备电源技术,2。01,26(3):5j 1 10 4 song D,Ikuta H,Uchlda T,ct al Thc splnel phase “AlvMn2,Mnt,eO·and Ll(Al,M)ⅢMnl一(Jt asthe㈨h 由表2知.B、si和P元素的电负性比Mn元素的大,用 这些兀素的原子部分取代尖晶石型LlMn20‘结构中的Mn ode{or recha。geablellthlum batterIes·solld 原子时.吸引电了的能力大大增强,便于锂离子在其中脱嵌与 l 999t11 7(1):l 5l 嵌入,所以能够冉效改善纯相锰酸锂的电化学性能。从原于半 I。1lnser一 by aut()19“lted combustlon of poly metal nltrate precur of some certaln element ———i贾硅————FF—■_丁—1_r—1百——丁 LlMn204 on 14¨¨““1 8] EleHrlc negatlvny and atom radlus Into{he spInel eff刚5 5 stateIⅢcs, 赵铭蛛·翟王春t田彦文-固相分段法制备锂离子电池正 极材料LiMnzOt的实验过程工程学报一2001,】(1):402 径的角度考虑.由于B,Si和P元素的原于半径比Mn的原于 半径小,当这些元素的原于取代尖晶石型L。Mn。O。结构中的 6 温树林材料结构科学-北京:科学出版社,L 998·29 Mn原子时,相应地就使LiMn20‘三维隧道结构的间隙增大. 7 Lluw,K。wal K,Farn“gt。nG c·MechaⅢsm ofthe elec ‘rochemIcal lnsenIon 易于锂离子的反复脱嵌、嵌入.故能够提高纯相锰酸锂的电化 来回睨嵌、嵌入,因此在锰酸锂合成的过程中加入Al。O。后. Into LlMn2()。s plnel J Electrochem Soc,1998,145(2):4 63 学性能。对A1元素来说,其原子半径比Mn原于的大,使尖晶 石型LlMn。o.的三维隧道结构变窄,阻碍了锂离子在其中的 of llthlunl 8 李振环元素性质数据手册-河北:人民出版社·1984 (责任蝙辑 张 5 明) 锰酸锂的放电比容量降低。综上所述,添加剂HaBOn sioz、 《材料导报》欢迎博士研究生发表学位论文摘要 为了让博士学位论文要点尽早与读者见面,以促进学术和信息交流,本刊愿为材料及相关专业的博士研 完生服务,拟专门辟出一定版面刊登博士学位论文摘要(中文,限500字左右.包括题名.作者姓名.作者单位 名全称,摘要,关键词,导师,博士学位授予单位和时间等),热忱欢迎材料及相关专业博士生投稿。 万方数据 添加剂对尖晶石型锰酸锂性质表征的影响 作者: 赵铭姝, 翟玉春, 田彦文 作者单位: 刊名: 东北大学材料与冶金学院,沈阳,110004 英文刊名: MATERIALS REVIEW 年,卷(期): 被引用次数: 2002,16(3) 3次 材料导报 参考文献(8条) 1.李振环 元素性质数据手册 1984 2.Liu W;Kowal K;Farrington G C Mechanism of the electrochemical insertion of lithium into LiMn2O4 spinel 1998(02) 3.温树林 材料结构科学 1998 4.赵铭姝;翟玉春;田彦文 固相分段法制备锂离子电池正极材料L i Mn2O4的实验[期刊论文]-过程工程学报 2001(04) 5.Song D;Ikuta H;Uchida T The spinel phase LiAlyMn2-yMn1/6O4 and Li(AlM)1/6Mn1/6O4 as the cathode for rechargeable lithium batteries 1999(01) 6.赵铭姝;翟玉春;田彦文 锂离子蓄电池正极材料尖晶石型锰酸锂的制备[期刊论文]-电源技术 2001(03) 7.Park H B;Kim J;Lee C W Synthesis of LiMn2O4 powder by auto-ignited combustion of poly-metal nitrate precur sot[外文期刊] 2001(01) 8.TARASCON J M;Mckinnon W R;Coowar F Synthesis conditions and oxygen stoichiometry effects on Li insertion into the spinel LiMn2O4[外文期刊] 1994(06) 引证文献(3条) 1.张霜华.窦清山.戴永年.康学雅 浅谈锂锰氧化物LiMn2O4掺杂改性进展[期刊论文]-新疆有色金属 2009(z2) 2.唐致远.王雷.胡冉 尖晶石型LiMn2O4容量衰减因素及改性研究进展[期刊论文]-材料工程 2006(z1) 3.常照荣.刘院英.郑洪河.吴锋 尖晶石型锂锰氧化物的掺杂研究及其进展[期刊论文]-化学世界 2006(6) 本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_cldb200203023.aspx

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