Электрохимические характеристики и фазовый состав литий-марганцевой шпинели с избытком лития Li_(1 + x)Mn₂O₄

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).

В работе представлены результаты исследования фазового состава и электрохимического поведения литий-марганцевой шпинели с избытком лития номинального состава Li_1 + xMn₂O₄, синтезированной твердофазным методом. Установлено, что образцы с x = 0.1 и x = 0.2 представляют собой композитные материалы с основной фазой LiMn₂O₄, примесью Li₂MnO₃ (3 и 7 мас.% соответственно) и следовыми количествами MnO₂. Композитный материал с 3%-ной фазы Li₂MnO₃ (x = 0.1) после 300 зарядно-разрядных циклов в режиме C/2 сохранил 80–90% от начальной удельной ёмкости, тогда как однофазная стехиометрическая шпинель LiMn₂O₄ – менее 70–75%.

Авторы:

Журавлёв Виктор Дмитриевич, Институт химии твёрдого тела УрО РАН, 620990, г. Екатеринбург, ГСП, ул. Первомайская, 91, zhvd@ihim.uran.ru

Щеколдин Сергей Иванович, ОАО «Сатурн», 107553, г. Москва, ул. Б. Черкизовская, 21, стр. 1, sishch7@rambler.ru

Андрюшин Станислав Евгеньевич, ОАО «Сатурн», 107553, г. Москва, ул. Б. Черкизовская, 21, стр. 1, fenwo@yandex.ru

Шерстобитова Елена Александровна, Институт химии твёрдого тела УрО РАН, 620990, г. Екатеринбург, ГСП, ул. Первомайская, 91, sherl@imp.uran.ru

Нефёдова Ксения Валерьевна, Институт химии твёрдого тела УрО РАН, 620990, г. Екатеринбург, ГСП, ул. Первомайская, 91, nefedova@ihim.uran.ru

Бушкова Ольга Викторовна, Институт высокотемпературной электрохимии УрО РАН, 620990, г. Екатеринбург, ул. Академическая, 20, ovbushkova@rambler.ru

Ключевые слова:

литий-марганцевая шпинель, избыточный литий, твёрдофазный синтез, рентгеновская дифракция, электрохимическое поведение

Литература

1. Добровольский Ю. А., Бушкова О. В., Астафьев Е. А., Евщик Е. Ю., Каюмов Р. Р., Корчун А. В., Дрожжин О. В. Литий-ионные аккумуляторы для электротранспорта. Черноголовка : ИПХФ РАН, 2019. 110 с.

2. Blomgren G. E. The development and future of lithium ion batteries // J. Electrochem. Soc. 2017. Vol. 164, № 1. P. A5019–A5025. DOI: https://doi.org/10.1149/2.0251701jes

3. Schmuch R., Wagner R., Hörpel G., Placke T., Winter M. Performance and cost of materials for lithium-based rechargeable automotive batteries // Nat. Energy. 2018. Vol. 3, № 4. P. 267–278. DOI: https://doi.org/10.1038/s41560-018-0107-2

4. Julien C. M., Mauger A., Zaghib K., Groult H. Comparative issues of cathode materials for Li-ion batteries // Inorganics. 2014. Vol. 20. P. 132–154. DOI: https://doi.org/10.3390/inorganics2010132

5. Mauger A., Julien C. M. Critical review on lithium-ion batteries : are they safe? Sustainable? // Ionics. 2017. Vol. 23, № 8. P. 1933–1947. DOI: https://doi.org/10.1007/s11581-017-2177-8

6. Whittingham M. S. Lithium batteries and cathode materials // Chem. Rev. 2004. Vol. 104, № 10. P. 4271–4302. DOI: https://doi.org/10.1021/cr020731c

7. Bruce P. G. Energy storage beyond the horizon : Rechargeable lithium batteries // Solid State Ionics. 2008. Vol. 179, № 21–26. P. 752–760. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ssi.2008.01.095

8. Nitta N., Wu F., Lee J. T., Yushin G. Li-ion battery materials : present and future // Mater. Today. 2015. Vol. 18, № 5. P. 252–264. DOI: https://doi.org/10.1016/j.mattod.2014.10.040

9. Winter M., Besenhard J. O., Spahr M. E., Novák P. Insertion electrode materials for rechargeable lithium batteries // Adv. Mater. 1998. Vol. 10, № 10. P. 725–763. DOI: https://doi.org/10.1002/(SICI)1521-4095(199807)10:10<725::AID-ADMA725>3.0.CO;2-Z

10. Daniel C., Mohanty D., Li J., Wood D. L. Cathode materials review // AIP Conf. Proc. 2014. Vol. 1597. P. 26–43. DOI: https://doi.org/10.1063/1.4878478

11. Sheth J., Karan N. K., Abraham D. P., Nguyen C. C., Lucht B. L., Sheldon B. W., Guduru P. R. In situ stress evolution in Li_1 + xMn₂O₄ thin films during electrochemical cycling in Li-ion cells // J. Electrochem. Soc. 2016. Vol. 163, № 13. P. A2524–A2530. DOI: https://doi.org/10.149/2.0161613jes

12. Ledwaba R. S., Sayle D. C., Ngoepe P. E. Atomistic simulation and characterisation of spinel Li_1 + xMn₂O₄ (0 ≤ x ≤ 1) nanoparticles // ACS Appl. Energy Mater. 2020. Vol. 3, № 2. P. 1429–1438. DOI: https://doi.org/10.1021/acsaem.9b01870

13. Shibiri B., Ledwaba R. S., Ngoepe P. E. Discharge induced structural variation of simulated bulk Li_1 + xMn₂O₄ (0 ≤ x ≤ 1) // Opt. Mater. 2019. Vol. 92. P. 67–70. DOI: https://doi.org/10.1016/j.optmat.2019.03.050

14. Tarascon J. M., Guyomard D. Li Metal-free rechargeable batteries based on Li_1 + xMn₂O₄ cathodes (0 ≤ x ≤ 1) and carbon anodes // J. Electrochem. Soc. 1991. Vol. 138, № 10. P. 2864–2868. DOI: https://doi.org/10.1149/1.2085331

15. Chan H. W., Duh J. G., Sheen S. R. LiMn₂O₄ cathode doped with excess lithium and synthesized by co-precipitation for Li-ion batteries // J. Power Sources. 2003. Vol. 115. P. 110–118. DOI: https://doi.org/10.1016/s0378-7753(02)00616-x

16. Li B., Chen M., Bai H., Huang X., Guo J. Synthesis, characterization and electrochemical properties of Li_1 + xMn₂O₄ spinels prepared by solution combustion synthesis // Adv. Mater. Res. 2013. Vol. 652–654. P. 891–895. DOI: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AM~R.652-654.891

17. Tarascon J. M., Guyomard D., Baker G. L. An update of the Li metal-free rechargeable battery based on Li_1 + xMn₂O₄ cathodes and carbon anodes // J. Power Sources. 1993. Vol. 44, № 1–3. P. 689–700. DOI: https://doi.org/10.1016/0378-7753(93)80220-J

18. Chan H. W., Duh J. G., Sheen S. R. Microstructure and electrochemical properties of LBO-coated Li-excess Li_1 + xMn₂O₄ cathode material at elevated temperature for Li-ion battery // Electrochim. Acta. 2006. Vol. 51. P. 3645–3651. DOI: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2005.10.018

19. Wang Y., Nishiuchi S., Kuroki T., Yamasaki N., Takikawa S., Bignall G. Hydrothermal synthesis of spinel Li_1 + xMn₂O₄ as cathode material for rechargeable lithium battery // Int. J. High Pressure Res. 2001. Vol. 20. P. 299–305. DOI: https://doi.org/10.1080/08957950108206177

20. Rodrı́guez-Carvajal J. Recent advances in magnetic structure determination by neutron powder diffraction // Physica B. 1993. Vol. 192, № 1–2. P. 55–69. DOI: https://doi.org/10.1016/0921-4526(93)90108-I

21. Julien C., Mauger A., Vijh A., Zaghib K. Lithium Batteries : Science and Technology. New York, etc. : Springer, 2016. P. 175–180.

22. Jiao F., Bao J., Hill A. H., Bruce P. G. Synthesis of ordered mesoporous Li–Mn–O spinel as a positive electrode for rechargeable lithium batteries // Angew. Chem. 2008. Vol. 120. P. 9857–9862. DOI: https://doi.org/10.1002/ange.200803431

23. Han C.-G., Zhu C., Saito G., Akiyama T. Improved electrochemical performance of LiMn₂O₄ surface-modified by a Mn⁴⁺-rich phase for rechargeable lithium-ion batteries // Electrochim. Acta. 2016. Vol. 209. P. 225–234. DOI: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2016.05.075

24. Reddy K. S., Gangaja B., Nair S. V., Santhanagopalan D. Mn⁴⁺ rich surface enabled elevated temperature and full-cell cycling performance of LiMn₂O₄ cathode material // Electrochim. Acta. 2017. Vol. 250. P. 359–367. DOI: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2017.08.054

25. Yu H., Dong X., Pang Y., Wang Y., Xia Y. High power lithium-ion battery based on spinel cathode and hard carbon anode // Electrochim. Acta. 2017. Vol. 228. P. 251–258. DOI: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2017.01.096

26. Xiong L., Xu Y., Tao T., Song J., Goodenough J. B. Excellent stability of spinel LiMn₂O₄-based composites for lithium ion batteries // J. Mater. Chem. 2012. Vol. 22. P. 24563–24568. DOI: https://doi.org/10.1039/C2JM34717B

27. Komaba S., Sasaki T., Kumagai N. Preparation and electrochemical performance of composite oxide of alpha manganese dioxide and Li–Mn–O spinel // Electrochim. Acta. 2005. Vol. 50. P. 2297–2305. DOI: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2004.10.056

Журнал:

2020. Т. 20, № 3,

DOI:

https://doi.org/10.18500/1608-4039-2020-20-3-157-170

Текст в формате PDF:

скачать

(downloads: 140)