柏祥濤,孫學(xué)義,莊衛(wèi)東,盧世剛
(北京有色金屬研究總院,北京 100088)
Li-Ni-Co-Mn-O三元材料已得到廣泛研究,但還存在電導(dǎo)率較低、高倍率性能不佳及振實(shí)密度偏低等缺點(diǎn),這些問題與材料的制備方法密切相關(guān)[1]。有必要對反應(yīng)過程進(jìn)行研究,探索三元材料的生成機(jī)理,以指導(dǎo)三元材料的制備。
文獻(xiàn)對三元材料的反應(yīng)過程探討較多,而對反應(yīng)機(jī)理的研究不夠深入。本文作者通過分析Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2與Li2CO3的反應(yīng)過程,結(jié)合對焙燒中間產(chǎn)物的研究,對LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2的生成機(jī)理進(jìn)行了研究。
將NiSO4(上海產(chǎn),AR)、CoSO4(上海產(chǎn),AR)和 MnSO4(上海產(chǎn),AR)按化學(xué)計(jì)量比配成陽離子總濃度為2.0 mol/L的溶液;配制2.0 mol/L氨水(上海產(chǎn),CP)與4.0 mol/L NaOH(上海產(chǎn),AR)的混合溶液。在2 L反應(yīng)釜加入500 ml去離子水和10 ml 18.5 mol/L氨水,邊攪拌邊滴加入前述兩種溶液各1.5 L??刂品磻?yīng)的pH值約為11.5、溫度為50℃、攪拌速率為400 r/min和滴加速率為5 ml/min,反應(yīng)結(jié)束后,陳化12 h。沉淀經(jīng)過濾、去離子水洗滌至中性后,在100℃下干燥24 h,得到前驅(qū)體Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2。
將前驅(qū)體與Li2CO3(江西產(chǎn),>99.9%)按質(zhì)量比1.00∶0.42混勻。將前驅(qū)體或前驅(qū)體與Li2CO3的混合物置于坩堝中,稱重后在馬弗爐中、不同溫度(250~900℃)下,焙燒5~20 h;冷卻至室溫后,再次稱重,計(jì)算失重率。用SDT Q600同步熱分析儀(美國產(chǎn))對前驅(qū)體和前驅(qū)體與Li2CO3的混合物進(jìn)行綜合熱分析,溫度為20~1 000℃,升溫速度為10℃/min,N2氣氛。
用S4800場發(fā)射掃描電子顯微鏡(日本產(chǎn))觀察焙燒產(chǎn)物的形貌;用X’PertPRO MPD型X射線衍射儀(荷蘭產(chǎn))分析晶體結(jié)構(gòu),CuKα,管壓40 kV、管流 30 mA,λ=0.154 056 nm,步長為0.03 °,掃描速度為 10(°)/min。
以優(yōu)化工藝制備得到的三元材料為正極活性物質(zhì),按文獻(xiàn)[2]的步驟制備電池,并進(jìn)行充放電性能分析。
前驅(qū)體在不同溫度下焙燒20 h后的SEM圖見圖1,XRD圖見圖2。
圖1 前驅(qū)體在不同溫度下焙燒20 h后的SEM圖Fig.1 SEM photographs of precursor calcined at different temperatures for 20 h
圖2 前驅(qū)體在不同溫度下焙燒20 h后的XRD圖Fig.2 XRD patterns of precursor calcined at different temperatures for 20 h
從圖1可知,前驅(qū)體在400℃前沒有發(fā)生明顯的變化;在400℃時(shí),表面出現(xiàn)小的球形粒子;在500℃時(shí),片狀一次粒子上出現(xiàn)大量小孔;在650℃時(shí),分解成帶孔的不規(guī)則顆粒;之后,形貌沒有明顯的變化。
從圖2可知,在300℃時(shí),19°左右的衍射峰強(qiáng)度明顯降低,且向低角度方向移動,36°、44°和64°左右出現(xiàn)明顯的衍射峰;隨著溫度的升高,衍射峰逐漸變得尖銳;在500℃時(shí),30°左右出現(xiàn)衍射峰;在650℃時(shí),主要衍射峰(36°、44°和64°)和30°左右的衍射峰已十分明顯;在700℃時(shí),衍射峰進(jìn)一步銳化,并可按MnCo2O4進(jìn)行指標(biāo)化,由此推測,前驅(qū)體分解為混合價(jià)態(tài)的(Ni0.5Co0.2Mn0.3)3O4。
前驅(qū)體失重率計(jì)算結(jié)果顯示:在650℃時(shí)有最大值(14.9%);產(chǎn)物為(Ni0.5Co0.2Mn0.3)3O4時(shí)(900℃焙燒)的理論值為13.8%,兩者接近(實(shí)際失重率較大,可能是表面吸附水所致),說明前驅(qū)體分解為(Ni0.5Co0.2Mn0.3)3O4。在700℃時(shí),失重率為14.8%,與在650℃時(shí)基本一致,說明前驅(qū)體在650℃時(shí)即已完全分解。
前驅(qū)體與Li2CO3的混合物焙燒20 h后的SEM圖見圖3,XRD圖見圖4。
圖3 前驅(qū)體與Li2CO3的混合物在不同溫度下焙燒20 h后的SEM圖Fig.3 SEM photographs of the mixture of precursor and Li2CO3 calcined at different temperatures for 20 h
圖4 前驅(qū)體與Li2CO3的混合物在不同溫度焙燒20 h時(shí)后的XRD圖Fig.4 XRD patterns of the mixture of precursor and Li2CO3 calcined at different temperatures for 20 h
從圖3可知,在250℃時(shí),前驅(qū)體的表面沒有明顯變化;在300~700℃,變化規(guī)律與單獨(dú)焙燒時(shí)(圖1)基本一致,而當(dāng)溫度升高至900℃時(shí),顆粒的邊界十分清晰。
從圖4a可知,在250℃和300℃時(shí),Li2CO3衍射峰沒有明顯的變化;在350℃時(shí),在37°左右的衍射峰明顯減少,而三元材料的(101)與(102)衍射峰出現(xiàn);在400℃時(shí),上述兩個(gè)衍射峰十分明顯,并在500℃時(shí)發(fā)生劈裂,且在20°~35°的Li2CO3的衍射峰強(qiáng)度明顯降低(圖4b),表明三元材料正在逐步生成。在650℃時(shí),Li2CO3的衍射峰消失,三元材料的所有衍射峰均已出現(xiàn),表明Li2CO3與前驅(qū)體的反應(yīng)已趨于完成;但直至溫度升高至900℃時(shí),(006)/(102)、(108)/(110)兩組衍射峰才發(fā)生劈裂,表明只有在900℃時(shí),三元材料的結(jié)晶性才趨于完美。
19°和43°左右衍射峰的位置與焙燒溫度的關(guān)系見圖5。
圖5 衍射峰位置與焙燒溫度的關(guān)系Fig.5 Relation between the positions of the diffraction peak and the calcination temperatures
從圖5a可知,與焙燒前相比,在250℃時(shí),混合物在19°左右的衍射峰發(fā)生了很大的偏移;隨著溫度的升高,該衍射峰持續(xù)向低角度方向移動,在300℃時(shí)出現(xiàn)最低值;隨后,又向高角度方向移動,并在500℃時(shí)出現(xiàn)最大值;在700℃時(shí),又稍向低角度方向移動,并在900℃時(shí)保持不變。前驅(qū)體在19°左右的衍射峰一直向低角度方向移動。圖5a還表明,在350℃時(shí),兩種焙燒產(chǎn)物的衍射峰較接近,之后,差別逐漸拉大。43°左右衍射峰的變化(圖5b)與上述規(guī)律一致。由此推測,當(dāng)溫度較低(約250℃)時(shí),前驅(qū)體發(fā)生分解;溫度稍高(約300℃)時(shí),前驅(qū)體的分解伴隨著與Li2CO3的反應(yīng)。
根據(jù)上述結(jié)果,研究了300℃時(shí)不同焙燒時(shí)間的失重率(按Li2CO3過量5%計(jì)算),結(jié)果見表1。
表1 前驅(qū)體及前驅(qū)體與Li2CO3的混合物在300℃下焙燒不同時(shí)間的失重率Table 1 Weight loss ratio of the precursor and the mixture of precursor and Li2CO3calcined at 300℃for different time
從表1可知,兩組樣品的失重率均隨著焙燒時(shí)間的延長而增加。焙燒5 h時(shí),前驅(qū)體的失重率為10.4%,與理論值13.8%相比可知,大部分已分解;但時(shí)間延長至20 h時(shí),失重率(12.0%)仍低于理論值,表明仍未分解完全。在混合物中,假設(shè)Li2CO3未反應(yīng)(即僅有前驅(qū)體的分解),計(jì)算出混合物中前驅(qū)體的失重率,均超過純前驅(qū)體焙燒的值,也超過產(chǎn)物為(Ni0.5Co0.2Mn0.3)3O4時(shí)的理論值,由此推測,焙燒5 h時(shí),雖然前驅(qū)體并未分解完全,但Li2CO3已參與了反應(yīng)。
計(jì)算結(jié)果表明:混合物的失重率在650℃時(shí)達(dá)到最大值,約為25.1%,與理論值24.9%接近;之后,隨著溫度的繼續(xù)升高,失重率基本保持恒定。這說明,前驅(qū)體與Li2CO3的反應(yīng)在650℃時(shí)即已經(jīng)完成,與XRD分析的結(jié)果一致。
根據(jù)文獻(xiàn)[3]對氫氧化鎳分解反應(yīng)的研究,推測前驅(qū)體分解及與Li2CO3反應(yīng)的過程為:在250℃時(shí),前驅(qū)體開始分解;在300℃時(shí),大部分已分解,但隨著反應(yīng)由熱力學(xué)控制轉(zhuǎn)變?yōu)槭軘U(kuò)散控制,分解速度變慢;此時(shí),隨著時(shí)間的延長,在顆粒內(nèi)部前驅(qū)體分解的同時(shí),由于球形顆粒表面的反應(yīng)活性高,(Ni0.5Co0.2Mn0.3)3O4開始與Li2CO3發(fā)生反應(yīng)。焙燒溫度較低時(shí),反應(yīng)速度較慢,焙燒20 h反應(yīng)不完全,直至溫度達(dá)到650℃。在650℃下焙燒20 h時(shí),Li2CO3完全參與反應(yīng),生成三元材料;溫度繼續(xù)升高,三元材料的結(jié)晶性提高。
綜上所述,反應(yīng)過程可分為3個(gè)階段:300℃以前,主要發(fā)生前驅(qū)體的分解反應(yīng);300~650℃,主要發(fā)生顆粒內(nèi)部殘余前驅(qū)體的分解及顆粒表面與Li2CO3的嵌鋰反應(yīng);650℃以后,主要是三元材料的結(jié)晶反應(yīng)。
前驅(qū)體及前驅(qū)體與Li2CO3混合物的DSC-TGA曲線見圖6。
圖6 前驅(qū)體及前驅(qū)體與Li2CO3混合物的DSC-TGA曲線Fig.6 DSC-TGA curves of the precursor and the mixture of precursor and Li2CO3
從圖6a可知,在200℃之前,主要是前驅(qū)體表面吸附水脫失(失重率0.70%);在270℃附近的吸熱峰,對應(yīng)脫水生成(Ni0.5Co0.2Mn0.3)3O4的反應(yīng),330℃左右轉(zhuǎn)折點(diǎn)的失重率約為12.69%;在700℃時(shí),保持該氧化物結(jié)構(gòu)(圖2),且結(jié)晶性更高,720℃左右轉(zhuǎn)折點(diǎn)的失重率為3.29%;繼續(xù)升溫,在736℃左右出現(xiàn)了較小的吸熱峰,對應(yīng)持續(xù)的失重,可能是因?yàn)橛惺а醴磻?yīng)[4];Ni0.5Co0.2Mn0.3(OH)2完全脫水形成(Ni0.5Co0.2Mn0.3)3O4的理論值為13.84%,高于12.69%(330℃)、低于15.98%(720℃),說明330~720℃的失重對應(yīng)少量前驅(qū)體的分解和部分失氧反應(yīng)。從圖6b可知,在270℃附近吸熱峰的失重率約為8.55%,對應(yīng)脫水生成(Ni0.5Co0.2Mn0.3)3O4,稍低于理論值9.72%,說明有少量前驅(qū)體尚未分解,與300℃時(shí)的失重率一致(表1);溫度繼續(xù)升高,在510℃左右出現(xiàn)一個(gè)小寬峰,對應(yīng)(Ni0.5Co0.2Mn0.3)3O4與Li2CO3生成三元材料的過程,失重率約為12.14%,低于理論值14.83%,可能是升溫速度較快,反應(yīng)不完全所致;在710℃附近有一個(gè)小尖峰,S.H.Kang等[5]的研究表明:此吸熱峰對應(yīng)于Li2CO3的融化。文獻(xiàn)[5]顯示,這個(gè)階段主要發(fā)生的反應(yīng)是過量的Li2CO3分解形成Li2O以及Li的揮發(fā),失重率約為5.53%。900℃左右的平臺對應(yīng)的總失重率為26.22%,接近于完全反應(yīng)時(shí)的理論值25.68%。
以上對DSC-TGA曲線的分析,與XRD分析及失重率實(shí)驗(yàn)的結(jié)果相同。由此可知,前驅(qū)體的分解是從球形顆粒的表面逐步向內(nèi)部推進(jìn)的,嵌鋰反應(yīng)也是如此。TGA曲線中270℃和510℃左右兩個(gè)吸熱峰的出現(xiàn),也證明了這一點(diǎn)。
根據(jù)以上研究,確定優(yōu)化工藝為:以3℃/min的升溫速度升溫至600℃,保溫5 h,再升溫至900℃,保溫15 h,隨爐冷卻后,得到產(chǎn)物。以優(yōu)化工藝制備LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2,組裝的電池以0.1 C在2.5~4.3 V循環(huán),充放電曲線見圖7。
圖7 優(yōu)化工藝制備的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2組裝的電池的充放電曲線Fig.7 Charge-discharge curves of battery assembled withLiNi0.5Co0.2Mn0.3O2prepared via optimized process
從圖7可知,優(yōu)化工藝制備的LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2的首次放電比容量為173.6 mAh/g,庫侖效率為89.0%,顯示出優(yōu)良的電化學(xué)性能。
本文作者通過對前驅(qū)體熱分解及前驅(qū)體與Li2CO3反應(yīng)中間產(chǎn)物的分析,研究了前驅(qū)體的分解過程、前驅(qū)體與Li2CO3的反應(yīng)過程以及三元材料的生成過程。焙燒開始后,前驅(qū)體首先分解為混合價(jià)態(tài)的(Ni0.5Co0.2Mn0.3)3O4;由于(Ni0.5Co0.2Mn0.3)3O4的存在,當(dāng)溫度升高至300℃左右時(shí)Li2CO3開始參與反應(yīng):Li+嵌入到(Ni0.5Co0.2Mn0.3)3O4層間形成三元材料,同時(shí)釋放出CO2;溫度達(dá)到650℃時(shí),LiMO2全部生成;溫度繼續(xù)升高時(shí),LiNi0.5Co0.2Mn0.3O2的結(jié)晶性逐步得到提高,直至900℃時(shí)形成完美結(jié)晶的三元材料。
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