锂离子电池富锂锰基正极材料Li[Li0.13Co0.26Mn0.61]O2和Li[Li0.2Co0.4Mn0.4]O2的电化学行为研究

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锂离子电池富锂锰基xLi2MnO3(1-x)LiMO2(M=Ni,Co,Mn)层状正极材料具有高比容量、价格低廉等优点,成为近年来正极材料的一个研究热点,有望成为商业化锂离子电池主流正极材料。本文研究了Li[Li0.13Co0.61Mn0.26]O2和Li[Li0.2Co0.4Mn0.4]O2两种富锂锰基材料的电化学动力学参数的测量方法,得以更快和更加精确测量数据,便于应用于工业实验中。以过渡金属乙酸盐和乙酸锂为原料,柠檬酸为螯合剂,通过溶胶-凝胶法制备了两种富锂锰基正极材料Li[Li0.13Co0.61Mn0.26]O2和Li[Li0.2Co0.4Mn0.4]O2材料,采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和电化学技术对所得样品的结构、形貌及电化学性能进行了表征和分析。XRD结果表明富锂锰基材料为层状固溶体,SEM显示材料的一次颗粒粒径为纳米级(大约100nm~250nm)。采用计时电势法研究同一循环周期中充电过程中富锂锰基正极材料电荷转移阻抗的变化,结果表明:在充电过程中富锂锰基正极材料电荷转移阻抗先增大后减小,当SOC大约在30~50%时Rct达到最大,分别约为2164Ω~4341Ω和4254Ω~6741Ω,而在其余状态下Rct相对较低。循环伏安曲线测试结果表明,当截止电压高于4.4V时,富锂锰基材料有氧析出;钴元素氧化峰峰电位~4.11V,还原峰电位~3.75V;锰元素氧化峰峰电位~4.0V,还原峰电位~3.25V,且在~2.75V处出现还原峰与Mnn+还原形成类尖晶石结构有关。结果表明富锂锰基材料中LiMO2部分所占份额高有利于提高材料的交换电流密度以及大倍率性能,而Li2MnO3部分的份额增高则有利于提高材料的低倍率条件下的循环稳定性。通过改变Li[Li0.13Co0.26Mn0.61]O2(即材料A)和Li[Li0.2Co0.4Mn0.4]O2(即材料B)两种富锂锰基材料配比而制得的准随机组合式单颗粒微电极(quasi-random assembledsingle particle electrode, QRASPE)在3.0~4.8V电压区间内,0.1mV/s的扫描速度并扣除背景影响下的第一周的循环伏安曲线可知,QRASPE较大面积多孔电极更具优势,测氧化/还原峰更加突出和尖锐,从而更加容易的判断出两种材料中过渡金属的费米能级,由于富锂材料中Li2MnO3部分被氧化而发生析氧反应在~4.43V形成显著的氧化峰,钴元素在~4.10V氧化、~3.89V还原;锰元素在~3.25V发生还原。且进一步分析出两种材料较准确的充电时的安全截止电压:材料A为4.32V,材料B为4.33V,在实际的应用过程中,确定精确的充电电压,不但可以达到安全使用的目的,还可以更加充分的使用电池和节约能源。对于绿色能源锂离子电池的使用对环境的保护也有积极的意义。
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